(57)【要約】  光学式音響相関器１は、光源４と、透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し受信信号３１に応じた第１の粗密波を第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部３ｂと、透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し予め定められた参照信号３２に応じた第２の粗密波を第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部３ａと、光源４から出射された光を第１の光束１２および第２の光束１３に分け、第１の光束１２を第１の音波伝搬部３ｂに入射させ、かつ、第２の光束１３を第２の音波伝搬部３ａに入射させ、第１の音波伝搬部３ｂを透過した第１の光束および第２の音波伝搬部３ａを透過した第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部１０と、受光部１０から出力された電気信号を観測することにより、受信信号３１および参照信号３２の相関の有無を判定する相関判定部３９とを備えている。
2011111398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、
透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部に前記第１の疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第２の音波伝搬部に前記第２の粗密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、前記第１の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項２】
光源と、
透光性の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波、および予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を、前記音波伝搬媒質部に互いに対向する向きに伝搬させる音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記音波伝搬部に前記第１の疎密波および前記第２の疎密波と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記音波伝搬部に入射させることなく、前記音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項３】
光源と、
透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、
透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に各疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に入射させることなく、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項４】
前記相関判定部は、前記干渉光の強度が所定の閾値以上の場合に、前記受信信号と前記参照信号とが相関していると判定する、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項５】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項１に記載の光学式音響相関器。
【請求項６】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標をｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項２に記載の光学式音響相関器。
【請求項７】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項３に記載の光学式音響相関器。
【請求項８】
前記光学系は、前記光源から出射された光を前記第１の光束と前記第２の光束とに分けるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによって分けられた前記第１の光束および前記第２の光束の少なくとも一方を反射させるための反射鏡とを備えている、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項９】
前記光源は、単色光を出射し、
前記相関判定部は、前記反射鏡を振動させることによって前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方が前記受光部に到達するまでの光路長を変動させ、前記電気信号が予め定められた閾値を超えたか否かを判定することにより、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項８に記載の光学式音響相関器。
【請求項１０】
前記相関判定部は、前記反射鏡を、前記単色光の波長の１／２以上の振幅で振動させる、請求項９に記載の光学式音響相関器。
【請求項１１】
前記光源は、互いに偏波面が直交し、かつ、互いに異なる周波数を有する２つの光束を出射し、
前記光学系は、前記２つの光束を各々の偏波面に基づいて前記第１の光束および前記第２の光束に分ける偏光ビームスプリッタと、前記第１の光束の偏波面および前記第２の光束の偏波面を一致させる偏光板とを有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１２】
前記第１の光束および前記第２の光束は、それぞれ前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項１に記載の光学式音響相関器。
【請求項１３】
前記第１の光束は、前記音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項２に記載の光学式音響相関器。
【請求項１４】
前記第１の光束は、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項３に記載の光学式音響相関器。
【請求項１５】
前記光学系は、マイケルソン・モーレー型の干渉計の構成を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１６】
前記光学系は、マッハツェンダー型の干渉計の構成を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１７】
前記光学系は、フィゾー型の干渉計の構成を有している、請求項２または３に記載の光学式音響相関器。
【請求項１８】
前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行である、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１９】
前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行かつ同じ向きである、請求項１８に記載の光学式音響相関器。
【請求項２０】
前記第１の光束および前記第２の光束は、干渉するまでの間、大気中を通過しない、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相関を取るべき２つの信号を、透光性の音響媒質中を伝搬する音響疎密波に変換し、それらを透過した２つの光束の干渉光を観測することにより、２つの信号の相関を検出する光学式音響相関器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波や超音波を用いた通信システムは、現在、様々なセンサに搭載され、利用されている。これらのセンサへの要求仕様の最たるものに、物理的小型性はもとより、システム的な小型性、すなわち、センサが搭載されているシステムへの負荷が小さいことが挙げられる。【０００３】
通信システムでは、高機能化、例えば、通信品質の確保および情報伝送の効率化のために、拡散符号を用いて変復調された信号が利用される場合がある。そのような通信システムを構成する送受信機（主に受信機）において、受信した信号（受信信号）と、拡散符号に基づいて自機で生成した信号（参照信号）との間の相関を検出する相関器は、不可欠な構成要素である。【０００４】
一般に、このような通信方式を用いた受信機における相関処理は、受信した電波や超音波の信号をアナログ／デジタル変換器によりデジタル信号に変換した後、プログラムとして計算機上に実装されたデジタルフィルタや相関器によって実行される。これらの処理に要する計算量は大きく、信号遅延を最小限に抑えるために、高速な計算機が必要とされる。従って、この点と上記センサへの要求仕様との両立は、高機能な通信機器を実現する際の課題となる。【０００５】
この課題に対して、例えば特許文献１には、光と音波を利用して、システム的に小型で、かつ高速動作が可能な光学式音響相関器が開示されている。この光学式音響相関器は、まず、相関を取るべき２つの信号を、それぞれ所望の周波数を有する搬送波（正弦波）に対応する振幅変調信号に変換する。すなわち、２信号を振幅変調信号として搬送波周波数にアップコンバートする。それらの振幅変調信号を弾性波（疎密波）に変換して各々別個の音響媒質中に伝搬させることによって２つの屈折率分布型回折格子が生成される。両回折格子により回折された回折光の強度を測定することにより、２信号の相関信号が得られる。【０００６】
図３７に、特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器の構成を示す。図３７において、搬送波生成回路１５１ａ，１５１ｂは、圧電振動子１５１０ａ，１５１０ｂの共振周波数に一致した周波数を有する正弦波（搬送波）を生成する。信号生成回路１５２ａ，１５２ｂで生成された２つの信号は、それぞれ変調器１５３ａ，１５３ｂにより、正弦波の振幅値の時間変動が２つの信号の時間波形に比例するように変換される。すなわち、２つの信号は、搬送波周波数に等しい周波数の振幅変調信号にアップコンバートされる。【０００７】
振幅変調を受けた搬送波は増幅器１５４ａ，１５４ｂにより増幅された後、圧電振動子１５１０ａ，１５１０ｂにそれぞれ入力される。圧電振動子１５１０ａ、１５１０ｂは、入力信号に応じた弾性波を、音響媒質１５９ａ，１５９ｂにそれぞれ伝搬させる。これらの弾性波は音響媒質１５９ａ，１５９ｂ中に屈折率分布を誘起する。音響媒質１５９ａ、１５９ｂに生成された弾性波は、それぞれ圧電振動子１５１０ａ，１５１０ｂの共振周波数に等しい周波数を持ち、入力された信号に従って振幅値が時間変動する正弦波である。したがって、音響媒質１５９ａ、１５９ｂに誘起された屈折率分布は、弾性波１波長に相当する格子間隔を持ち、弾性波伝搬速度で伝搬する屈折率分布型回折格子となる。【０００８】
互いに逆方向に弾性波が伝搬する２つの屈折率分布型回折格子に向けて、レーザ光源１５１は、レーザ光を出射する。レーザ光源１５１から出射されたレーザ光は、光学系１５５により十分なビーム径に拡大され、音響媒質１５９ａ、１５９ｂに入射する。その結果、様々な回折次数を持った回折光束が生成される。回折光束は、集光光学系１５６によって集光され、空間フィルタ１５８上に複数の輝点を形成する。空間フィルタ１５８により、所望の次数の回折光に相当する輝点のみが抽出され、その光強度が受光素子１５７によって電気信号として出力される。【０００９】
なお、相関器として動作させるためには、両屈折率分布型回折格子において０次回折光に相当しない回折光の輝点を観測しなければならない。回折光強度は屈折率分布型回折格子における屈折率分布のコントラスト（∝屈折率変動幅／平均屈折率）の２乗に比例する。従って、受光素子１５７から出力される電気信号の強度は、音響媒質１５９ａ，１５９ｂの各々に生成される屈折率分布型回折格子のコントラストの積の２乗に比例する。ここで、各々の屈折率分布型回折格子のコントラストは、信号生成回路１５２ａ，１５２ｂで生成された各々の信号の強度に概ね比例する。よって、ある時刻における受光素子１５７から出力される電気信号の強度は、信号処理における時間遅延を無視すると、同時刻における２つの信号の強度の積の２乗に比例する。【００１０】
従って、電気信号の強度の平方根を求めることによって、両信号の相関信号（この場合は両信号の「積」に相当）が得られる。以上が、特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器の動作である。【００１１】
このように、特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器は、アナログ／デジタル変換手段やデジタル信号処理手段を一切持たず、システム的に小型である。加えて、この相関器は、全ての相関処理を受動処理しているため、高速で遅延による影響が小さいという点で優れている。従って、特許文献１に開示された光学式音響相関器を有する超音波センサ等の機器は、それが搭載されたシステム全体（例えば、超音波センサを備えたロボット）に与える負荷が小さいという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭５９−２０１０２０号公報（第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、必要な次数の回折光を良好に捕らえるためには、物理的に大型の光学系が必要であり、これを備える超音波センサの物理的サイズが大きくなるという課題を有している。【００１４】
例えば、弾性波の伝搬速度が１０００ｍ／ｓ（十分な回折光強度を得るために必要な、高屈折率かつ力学的に硬い物質におけるおおよその伝搬速度に相当）の音響媒質を用い、周波数１００ＭＨｚの搬送波を適用した場合、弾性波波長は１０μｍとなる。散乱光による輝点の広がりが半径２．５ｍｍで十分に減衰すると想定すると、１次回折光の輝点は０次回折光の輝点から５ｍｍ以上離れて出現することが必要である。従って、波長６００ｎｍのレーザ光を照射したとき、一つの屈折率分布型回折格子による１次回折光の輝点が、０次回折光の輝点から５ｍｍ離れて出現するために必要とされる音響媒質１５９ｂから空間フィルタ１５８までの距離は、約８３．３ｍｍとなる。従って、従来構成の光学式音響相関器を内蔵する超音波センサ等の機器の大型化は必至である。【００１５】
また、現在の電波や超音波を用いた通信システムでは、上述のように、高機能化を目的として信号変復調方式に符号拡散が用いられることがある。その場合、２信号の相関処理は各信号の瞬時値について行われるのではなく、ある一定の時間における２信号の時間波形の相関を測定することが必要となる。【００１６】
しかしながら、従来の構成では、一定の時間内の２信号の時間波形の相関を測定するためには、音響媒質１５９ａ，１５９ｂのサイズを極めて大きくしなければならないという課題を有している。【００１７】
例えば、１０００ｍ／ｓの弾性波伝搬速度を有する音響媒質を用いて、時間間隔０．０７ｍｓｅｃの信号の相関処理をするためには、少なくともその時間間隔分の信号に相当する振幅変動を伴う弾性波の全てが音響媒質１５９ａ，１５９ｂ内に存在していなければならない。この場合、音響媒質１５９ａ、１５９ｂに必要な長さは７０ｍｍとなる。光学系１５５、集光光学系１５６の開口径は、音響媒質１５９ａ、１５９ｂの長さと同程度にする必要があるため、従来の光学式音響相関器を内蔵した機器は大型になる。【００１８】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、システム的に小型であるだけでなく、高速処理が可能で、かつ物理的に小型にできる光学式音響相関器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の光学式音響相関器は、光源と、透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部に前記第１の疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第２の音波伝搬部に前記第２の粗密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、前記第１の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部とを備えている。【００２０】
本発明の他の光学式音響相関器は、光源と、透光性の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波、および予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を、前記音波伝搬媒質部に互いに対向する向きに伝搬させる音波伝搬部と、前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記音波伝搬部に前記第１の疎密波および前記第２の疎密波と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記音波伝搬部に入射させることなく、前記音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部とを備えている。【００２１】
本発明のさらに他の光学式音響相関器は、光源と、透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に各疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に入射させることなく、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部とを備えている。【００２２】
ある実施形態において、前記相関判定部は、前記干渉光の強度が所定の閾値以上の場合に、前記受信信号と前記参照信号とが相関していると判定する。【００２３】
ある実施形態において、前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、Ｆ（ｘ，ｔ０）＝Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている。【００２４】
ある実施形態において、前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標をｘとし、時間をｔとするとき、前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている。【００２５】
ある実施形態において、前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている。【００２６】
ある実施形態において、前記光学系は、前記光源から出射された光を前記第１の光束と前記第２の光束とに分けるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによって分けられた前記第１の光束および前記第２の光束の少なくとも一方を反射させるための反射鏡とを備えている。【００２７】
ある実施形態において、前記光源は、単色光を出射し、前記相関判定部は、前記反射鏡を振動させることによって前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方が前記受光部に到達するまでの光路長を変動させ、前記電気信号が予め定められた閾値を超えたか否かを判定することにより、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。【００２８】
ある実施形態において、前記相関判定部は、前記反射鏡を、前記単色光の波長の１／２以上の振幅で振動させる。【００２９】
ある実施形態において、前記光源は、互いに偏波面が直交し、かつ、互いに異なる周波数を有する２つの光束を出射し、前記光学系は、前記２つの光束を各々の偏波面に基づいて前記第１の光束および前記第２の光束に分ける偏光ビームスプリッタと、前記第１の光束の偏波面および前記第２の光束の偏波面を一致させる偏光板とを有している。【００３０】
ある実施形態において、前記第１の光束および前記第２の光束は、それぞれ前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。【００３１】
ある実施形態において、前記第１の光束は、前記音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。【００３２】
ある実施形態において、前記第１の光束は、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。【００３３】
ある実施形態において、前記光学系は、マイケルソン・モーレー型の干渉計の構成を有している。【００３４】
ある実施形態において、前記光学系は、マッハツェンダー型の干渉計の構成を有している。【００３５】
ある実施形態において、前記光学系は、フィゾー型の干渉計の構成を有している。【００３６】
ある実施形態において、前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行である。【００３７】
ある実施形態において、前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行かつ同じ向きである。【００３８】
ある実施形態において、前記第１の光束および前記第２の光束は、干渉するまでの間、大気中を通過しない。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の光学式音響相関器によれば、システム的にも物理的にも小型な受信機を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】相関器が利用される受信システムの例を示す図
【図１Ｂ】本発明による光学式音響相関器の一例を模式的に示す図
【図２】実施形態１における光学式音響相関器の概略装置構成を示す斜視図
【図３】光束の波面の乱れが干渉縞として出現することを説明するための模式図
【図４】実施形態１における光学式音響相関器の音波伝搬部の概略構成を示す上面図
【図５】拡散符号の適用により入力データ（２値信号）が符号拡散された送信信号に変換される様子を示した模式図
【図６】（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、及び（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子２１４から出力される様子を示した時間波形図
【図７】反射鏡を光束進行方向に対して平行に振動させる方法を示した概略装置構成図
【図８】音波伝搬部３ａ，３ｂの端部に設けられた疎密波生成部９１の詳細構造を示した断面図
【図９Ａ】実施形態１における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成を示す上面図
【図９Ｂ】実施形態１における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの更に可能な構成を示す上面図
【図１０】実施形態１における光学式音響相関器の可能な他の構成例を示した装置概略構成図
【図１１】光ヘテロダイン検波を行うための実施形態２における光学式音響相関器を示す装置概略構成図
【図１２】実施形態３の光学式音響相関器の概略装置構成を示した斜視図
【図１３】（ａ）は、実施形態３における光学式音響相関器の可能な他の構成例を示す装置概略構成図であり、（ｂ）は、実施形態３における光学式音響相関器の可能なさらに他の構成例を示す装置概略構成図
【図１４】実施形態１、２、３における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成を示す上面図
【図１５】実施形態１、２、３における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの更に可能な構成を示す上面図
【図１６】実施形態４における光学式音響相関器の装置構成を示す斜視図
【図１７】実施形態４における光束の波面の乱れが干渉縞として出現することを説明するための図
【図１８】実施形態４における音波伝搬部の概略構成を示す上面図
【図１９】受信機において拡散符号から参照信号が再生される様子を示す図
【図２０】（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子２１４から出力される様子を示した時間波形図
【図２１】音波伝搬部の端部に設けられた粗密波生成部の詳細構造を示す斜視図
【図２２】実施形態４における光学式音響相関器の他の構成例を示す図
【図２３】実施形態４における光学式音響相関器のさらに他の構成例を示す図
【図２４】実施形態５における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２５】実施形態６における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２６】実施形態７における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２７】（ａ）は実施形態７における光学式音響相関器の変形例を示す図、（ｂ）は実施形態７における光学式音響相関器の他の変形例を示す図
【図２８】実施形態８における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２９】実施形態８における音波伝搬部の構成を示す図
【図３０Ａ】実施形態８における音波伝搬部の可能な構成例を示す図
【図３０Ｂ】実施形態８における音波伝搬部の可能な他の構成例を示す図
【図３１】実施形態８における光学式音響相関器の変形例を示す図
【図３２】実施形態８における光学式音響相関器の他の変形例を示す図
【図３３】実施形態９における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図３４】実施形態１０における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図３５】実施形態１１における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図３６】（ａ）は、実施形態１１における光学式音響相関器の変形例を示す図であり、（ｂ）は、実施形態１１における光学式音響相関器の他の変形例を示す図
【図３７】特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器の装置構成を示す概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の光学式音響相関器は、例えば携帯電話や超音波ロボット等の無線・超音波通信機器における受信システムの一部として利用され得る。本発明の光学式音響相関器の実施形態を説明する前に、まず光学式音響相関器を搭載する受信システムの概要を説明する。
【００４２】
図１Ａは、本発明における光学式音響相関器１（以下、「相関器」と呼ぶことがある。）を用いた受信システム３００の構成例を示す図である。図１Ａに示す受信システム３００は、アンテナ３０８、ダウンコンバータ３０１、オートゲインコントローラ３０２、相関器１、データ再生部３０３、同期制御部３０４、同期回路３０５、および逆拡散用符号列生成部３０６を備えている。なお、最適なシステム構成は、通信方式（ＯＦＤＭやＳＳ拡散等）によって変わる。
【００４３】
例えば、直接拡散方式のスペクトラム拡散方式においては、送信機器および受信機器は、拡散符号と呼ばれる共通する符号列を保持している。送信機器は、拡散符号を用いた演算により、送信データを広い周波数帯に拡散した拡散信号に変換してから送信する。受信機器は、送信機器から拡散信号を受信すると、自らが保持する拡散符号から逆拡散符号を生成し、逆拡散符号を用いた演算により送信データを復号する。
【００４４】
図１Ａに示すアンテナ３０８は、送信機から送出された拡散信号を受信し、ダウンコンバータ３０１に送出する。この例では、受信した信号（ＲＦ信号）の最初に、同期検出用の符号列（プリアンブル）が存在している。プリアンブルは、例えば、「１」が５チップ並んだ符号列で表される。なお、拡散されたデータのビットを「チップ」と呼び、プリアンブルおよび拡散されたデータ列のまとまりを「フレーム」と呼ぶ。
【００４５】
ダウンコンバータ３０１は、アンテナ３０８で受信された信号からキャリアを落としてデジタル信号（矩形波）を再生する。これは、無線通信機器における「フロントエンド回路」と同様の動作である。ダウンコンバータ３０１で再生されたデジタル信号は、オートゲインコントローラ３０２に入力される。オートゲインコントローラ３０２は、ダウンコンバータ３０１によって再生されたデジタル信号の振幅が常に等しくなるように、信号を可変増幅し、相関器１に送出する。オートゲインコントローラ３０２は、相関器１から出力される相関信号の出力を安定させるために必要な回路である。
【００４６】
相関器１は、オートゲインコントローラ３０２から与えられる信号（受信信号）と、後述する逆拡散用符号列生成部３０６から与えられる信号（参照信号）との間の相関を示す相関信号を生成し、データ再生部３０３および同期制御部３０４に送出する。この相関信号によって受信信号と参照信号とが整合しているか否かが判定される。
【００４７】
データ再生部３０３は、パルス状の相関信号を通常のデジタル信号（矩形波）に戻し、再生データとして外部に出力する。同期制御部３０４は、相関器から出力された相関信号に基づき、同期回路３０５および逆拡散用符号列生成部３０６の動作を制御する。同期回路３０５は、同期制御部３０４からの指示に基づいて、逆拡散用符号列生成部３０６に送出するトリガ信号のタイミングを調整し、受信信号と参照信号との同期を図る。逆拡散用符号列生成部３０６は、同期制御部３０４からの指示に基づいて、拡散符号列を生成し、これを参照信号として相関器１に送出する。
【００４８】
以下、受信信号と参照信号との同期の取り方の例を説明する。なお、同期の取り方は、通信方式に依存する。まず、同期制御部３０４が、オートゲインコントローラ３０１に規定値を超える入力があること、すなわち、通信成立に十分な強度の信号がアンテナ３０８より入力された事を確認すると、逆拡散用符号列生成部３０６は、全てのチップが"１"の逆拡散用符号列を発生する。続いて、同期制御部３０４は、相関信号の振幅値が所定の閾値を越えるまで、同期回路３０５のトリガ信号のタイミングを微調整する。これにより、チップ単位での同期が成立する。同期制御部３０４は、データ再生部３０３から与えられる再生データの中から、プリアンブル列を認識し、同期回路３０５が出力するトリガ信号のタイミングを調整する。これにより、フレーム（プリアンブルおよび拡散されたデータ列）単位での同期が成立する。最後に、逆拡散用符号列生成部３０６は、本来の逆拡散符号を生成することにより、正しい再生データが出力される。
【００４９】
受信システム３００は、以上のような処理によって受信した信号からデータを再生することができる。本発明による相関器１は、受信信号および参照信号の各々を音響媒質を伝搬する音響疎密波に変換し、それらを通過する光束の干渉光を観測することにより、両信号の相関を求める。
【００５０】
以下、本発明による光学式音響相関器１の概要を説明する。
【００５１】
図１Ｂは、本発明による光学式音響相関器１の概略構成の一例を示す図である。図１Ｂに示す例では、光学式音響相関器１は、光源４０と、予め定められた参照信号３２および外部から受け取った受信信号３１に応じた疎密波をそれぞれ伝搬させる２つの音波伝搬部３ａ、３ｂと、光学系２００と、受光部（受光素子）１０と、参照信号３２および受信信号３１の相関を判定する相関判定部３９とを備えている。
【００５２】
音波伝搬部３ａ、３ｂは、透光性の音響媒質からなる音波伝搬媒質部を有している。音波伝搬部３ａ、３ｂには、参照信号３２および受信信号３１がそれぞれ入力され、各信号に応じた疎密波が各々の音波伝搬媒質部に生成される。例えば、音波伝搬部３ａ、３ｂには、端部に圧電振動子などの疎密波生成部が設けられており、入力された信号に応じた平面波が音波伝搬媒質部に生成される。これにより、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に、各信号に応じた屈折率分布が生じる。これらの疎密波の伝搬方向と交差する方向に光束が入射し、音波伝搬部３ａ、３ｂを透過すると、それらの屈折率分布を反映して波面形状が変化することになる。
【００５３】
光学系２００は、ビームスプリッタ８と、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂとを有している。ビームスプリッタ８は、光源４０から出射された光を第１の光束１００ａと第２の光束１００ｂとに分離し、第１の光束１００ａを第１の音波伝搬部３ａに入射させ、第２の光束１００ｂを第２の音波伝搬部３ｂに入射させる。反射鏡１１ａは、音波伝搬部３ａの背部に配置され、音波伝搬部３ａを透過した光を反射する。同様に、反射鏡１１ｂは、音波伝搬部３ｂの背部に配置され、音波伝搬部３ｂを透過した光を反射する。反射鏡１１ａ、１１ｂによって反射された２つの光束は、再びビームスプリッタ８に到達し、そこで再び透過光と反射光とに分離される。音波伝搬部３ａを２度透過した第１の光束１００ａのうち、ビームスプリッタ８で反射された光束は、受光部１０に入射する。同様に、音波伝搬部３ｂを２度透過した第２の光束１００ｂのうち、ビームスプリッタ８を透過する光束も、受光部１０に入射する。なお、光学系２００は、他にも集光レンズや拡大レンズ等を含み得るが、図１Ｂではそれらを省略している。
【００５４】
以上の構成により、音波伝搬部３ａを透過した第１の光束１００ａと、音波伝搬部３ｂを透過した第２の光束１００ｂとの間には、各音波伝搬部に生成された疎密波に起因する波面形状の差異が生じる。受光部１０は、波面形状の異なるこれらの２つの光束の干渉光を受け、この干渉光の強度に応じた電気信号１４を出力する。相関判定部３９は、受光部１０から出力された電気信号１４を観測することにより、受信信号３１と参照信号３２とが相関しているか否かを判定することができる。相関の判定には、様々な方法が適用できる。具体的な判定方法については、後述する。
【００５５】
なお、光学系２００の構成は、図１Ｂに示す例に限らず、後述するように多様な構成が可能である。本発明における光学系２００は、光源４０から出射された光を２つの光束に分け、各光束の少なくとも１つをいずれかの音波伝搬部に入射させ、それらの光束の干渉光を受光部１０に入射させるように構成されていればよい。また、上記の例では、光学式音響相関器１は、２つの音波伝搬部３ａ、３ｂを備えているが、音波伝搬部は１つでもよい。例えば、後述する実施形態４に示すように、１つの音波伝搬部に両側から対向する向きに参照信号および受信信号に応じた２つの疎密波を伝搬させてもよい。
【００５６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、同様の構成要素には同一の参照符号を付している。
【００５７】
（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図２に、本実施形態における光学式音響相関器の斜視図を示す。図２に示すように、本実施形態における光学式音響相関器１は、波面干渉計２と、受信信号３１および相関信号３２がそれぞれ入力される音波伝搬部３ａ、３ｂと、波面干渉計２の出力信号から上記２信号の相関を観測するためのコントラスト観測部３９とを備えている。以下の説明では、図２に示すｘｙ座標系を用いる。
【００５８】
まず、図２を参照しながら、波面干渉計２の構成と動作とを説明する。波面干渉計２は、単色光光源４、拡大光学系６、アパーチャ７、ビームスプリッタ８、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂ、集光光学系９、および受光素子１０を備えている。本実施形態における波面干渉計は、マイケルソン・モーレー干渉計に分類される構成を有している。波面干渉計２におけるビームスプリッタ８と２つの反射鏡１１ａ、１１ｂとの間には、それぞれ音波伝搬部３ａ、３ｂが配置されている。本実施形態では、波面干渉計２における拡大光学系６、アパーチャ７、ビームスプリッタ８、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂ、集光光学系９が本発明における光学系の機能を有する。
【００５９】
図２に示すように、単色光光源４は、レーザ光に代表される干渉性の高い単色光５を生成し、単色光５を拡大光学系６に発射する。拡大光学系６は、拡大光学系６を通過する単色光５の平面波面の断面積を拡大する。拡大光学系６を通過した単色光５は、矩形開口を有するアパーチャ７へと伝搬する。アパーチャ７は、アパーチャ７を通過する光束を、所望の光束断面形状を有するよう、ビーム形状に整形する。ここで、所望の光束断面形状とは、アパーチャ７の矩形開口の形状に対応する形状である。なお、アパーチャ７の矩形開口の大きさを単色光５の波長に比べて十分大きくすることにより、光束断面形状の整形による単色光５の波面の乱れを無視することができる。アパーチャ７を通過した後の単色光５は、ビームスプリッタ８へと伝搬する。
【００６０】
ビームスプリッタ８は、アパーチャ７を通過した後の単色光５の経路を、ｙ軸の正方向に反射されるＡ経路１２、およびｘ軸の正方向にビームスプリッタ８を透過してゆくＢ経路１３の２つの経路に分解する。
【００６１】
Ａ経路１２を伝搬する光束は、音波伝搬部３ｂに入射する。音波伝搬部３ｂは、単色光５に対して十分透明かつ散乱の少ない媒体で構成されており、柱状の形状を有している。音波伝搬部３ｂには、受信信号３１が入力され、ｘ軸の負方向に受信信号３１に応じた粗密波が伝搬している。Ａ経路１２を進行する光束は、音波伝搬部３ｂを通過し、反射鏡１１ｂで反射され、再度音波伝搬部３ｂを通過した後、再びビームスプリッタ８に到来する。そして、ビームスプリッタ８において、単色光光源４に向かって反射される経路（反射光）と、集光光学系９に向かって透過する経路（透過光）とに分解される。
【００６２】
単色光光源４がレーザ光源である場合、前者の光（反射光）が光源内の単色光と干渉するため、何も対策をしなければ単色光光源４の動作が不安定になることがある。その場合は、戻り光対策（例えば、光アイソレータの挿入）がなされたレーザ光源を単色光光源４とすることによって、この問題は解決される。
【００６３】
一方、単色光光源４がＬＥＤ（発光ダイオード）やＳＬＤ（スーパー・ルミネッセンス・レーザ・ダイオード）のような広帯域光源をフィルタ等で狭帯域化したものである場合は、このような戻り光による不安定動作は生じない。
【００６４】
また、後者の光（透過光）は、集光光学系９により受光素子１０に導入され、その積分強度が電気信号１４として出力される。
【００６５】
Ａ経路１２を経由し、受光素子１０に捉えられる光束の波面は、音波伝搬部３ｂの通過後、受信信号３１に応じた波面形状の乱れを生じる。後に詳述するように、受信信号３１の音波伝搬部３ｂへの入力形態は疎密進行波である。すなわち、受信信号３１が電気信号である場合は、圧電振動体などの電気機械振動変換手段により、音波伝搬部３ｂをｘ軸負方向に伝搬する疎密進行波が形成される。
【００６６】
従って、ある瞬間では音波伝搬部３ｂの構成媒体中に密度分布が形成されている。密度分布は屈折率分布として通過光束に感受される。高屈折率領域を通過する光線は、低屈折率領域を通過する光束に比べ遅れる。そのため、音波伝搬部３ｂを通過する前に概ね平面であった波面は、通過後、受信信号３１を反映した屈折率分布の影響により、乱れることとなる。
【００６７】
次に、Ｂ経路１３を進行する光速について説明する。Ｂ経路１３を進行する光速は、音波伝搬部３ａに入射する。音波伝搬部３ａは、音波伝搬部３ｂと同じ材料で構成されている。音波伝搬部３ａには、参照信号３２が入力され、ｙ軸の正方向に参照信号３２に応じた粗密波が伝搬している。Ｂ経路１３を進行する光束は、音波伝搬部３ａを通過し、反射鏡１１ａで反射され、再度音波伝搬部３ａを通過した後、再びビームスプリッタ８に到来する。ここで、反射鏡１１ａは、後述するように、コントラスト観測部３９の制御により、単色光５の波長をλとして、ｘ方向におおよそ振幅λ／４で振動するように構成されている。
【００６８】
再びビームスプリッタ８に到来した光束は、ビームスプリッタ８を透過して単色光光源４に向かう光束と、反射されて集光光学系９に向かう光束とに分解される。Ｂ経路１３を経由し受光素子１０で捉えられる光束の波面には、音波伝搬部３ａに入力される参照信号３２に応じた波面形状の乱れが生じる。
【００６９】
Ａ経路を経由した光束およびＢ経路を経由した光束は、集光光学系９により受光素子１０に導入され、その積分強度が電気信号１４として出力される。
【００７０】
上記構成において、各構成要素は、受信信号３１および参照信号３２が入力されていない状態で、Ａ経路１２を経由して受光素子１０に向かう光束とＢ経路１３を経由して受光素子１０に向かう光束とが、十分に干渉するように配置される。さらに、集光光学系９の入射側開口面の直前で、干渉光束の光束断面における光強度分布が十分均一（すなわち、ゼロフリンジ状態）になるように、各構成要素の面精度の確保と十分な光軸調整とが行われる。
【００７１】
図３は、音波伝播部３ａを通過した光束３４ａおよび音波伝播部３ｂを通過した光束３４ｂの波面の乱れが干渉縞４００として出現することを説明するための模式図である。図３（ａ）は、音波伝搬部３ａ、３ｂをそれぞれ通過した光束３４ａ、３４ｂの波面に乱れがある場合の例を示し、図３（ｂ）は、それらの光束の波面に乱れがない場合の例を示している。なお、図３に示す光束３４ａ、３４ｂの波面は、集光光学系９の入射側開口面近傍におけるものであり、座標軸は図２に記したものに準拠している。ここで、ある時刻ｔ０における光束３４ａ、３４ｂの波面を表す関数を、それぞれＲ（ｘ、ｔ０）、Ｆ（ｘ，ｔ０）と表している。
【００７２】
図３に示すように、両音響信号（入力信号３１および参照信号３２）入力時において、両音響信号に差異がある場合、音波伝搬部３ａ、３ｂを通過する各々の光束３４ａ、３４ｂの波面形状に差異が現れる。その差異は、集光光学系９の入射側開口面直前位置での光束断面において干渉縞４００として現れる。
【００７３】
具体的には、図３（ｂ）に示すように、波面形状に差異がない場合は、たとえ両光束の波面形状が平面に比べて変位していたとしても、集光光学系９の入射側開口面上ではゼロフリンジとなる。これは、集光光学系９の入射側開口面上の同一点を通過する両光束の光線が常に同相であるからである。逆に、図３（ａ）に示すように、両波面形状に差異がある場合には、同開口面上の同一点を通過する両光束の光線間の位相の均一性が崩れるため、多数の干渉縞が同開口面上で観測されることになる。
【００７４】
受光素子９は、干渉光（波面の乱れを有する光）の積分強度を捉えるため、干渉縞がまったくない場合に、最も高いコントラスト（＝信号振幅値／信号の時間平均値）を持った電気信号１４が受光素子１０から出力される。一方、両光束の波面形状の差異が顕著になればなるほど複雑な干渉縞が生成されるので、電気信号１４のコントラストは低下する。
【００７５】
以上のことから、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストを観測することによって、音波伝搬部３ａ，３ｂを通った光束の波面形状の相違を判断することができる。更には、この波面形状の相違を介して、受信信号３１の波形と参照信号３２の波形との相違を判断することができる。
【００７６】
本実施形態の光学式音響相関器１は、電気信号１４のコントラストを観測するために、単色光５の波長をλとして、反射鏡１１ａをｘ方向におおよそ振幅λ／４で振動させる機構（コントラスト観測部３９）を有している。これにより、受光素子１０から出力される電気信号１４は、後述するように、受信信号３１と相関信号３２とが相関している場合に大きく変動し、相関していない場合にはほとんど変動しない。このため、電気信号１４のコントラストの変動が所定の閾値を超えているか否かを観測すれば、受信信号３１と相関信号３２とが相関しているか否かを判定できる。なお、反射鏡１１ａをｘ方向に振動させる代わりに、反射鏡１１ｂをｙ方向に振動させても同様の効果を得ることができる。反射鏡１１ａ（または反射鏡１１ｂ）を振動させる機構の詳細は後述する。
【００７７】
以上が、本実施形態における光学式音響相関器１の波面干渉計２の基本的動作である。なお、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストの具体的な測定方法、および必要とされる装置構成の詳細については後述する。
【００７８】
次に、再び図２を参照して、干渉縞を介した波面形状の比較を高精度に行なうための、各構成要素の光学調整法を説明する。干渉縞を介した波面形状の比較を高精度に行なうためには、ビームスプリッタ８の４つの入・出射面、および音波伝搬部３ａ、３ｂの各２ヶ所の入・出射面に反射防止膜を施すことが好ましい。これは、各光学面で生成される多重反射光線が上記干渉縞に重畳し干渉することを防ぐためである。また、多重反射光線の強度を低減するために、各々の光学面がそこを通過する光束の波面に対して平行にならないよう所望の角度をつけることが好ましい。このようにして、多重反射光線の強度を下げ、かつ観測したい光束と多重反射光線の干渉性を減じることにより、良好な干渉縞を生成することができる。結果として、高精度な波面形状の比較計測が可能となる。
【００７９】
次に、本実施形態における光学式音響相関器１の音波伝搬部３ａ，３ｂの構成と動作について説明する。図４は、本実施形態における音波伝搬部３ａの上面図を示している。
【００８０】
音波伝搬部３ａと音波伝搬部３ｂとは、同一の装置構成を有するため、音波伝搬部３ａのみを、以下説明する。図４は、図２に示す音波伝搬部３ａの拡大図に相当する。分かりやすさのため、両図の方位関係を一致させている。
【００８１】
図４に示すように、音波伝搬部３ａは、音響媒質３３と、その端面に設けられた疎密波生成部９１と、音響媒質３３の粗密波生成部９１が設けられた端面と対向する面に配置された吸音材９２とを有している。平面状の波面３６を有する光束３４は、音響媒質３３を通過することにより、波面形状が波面３７のように変化する。音響媒質３３は、例えば矩形断面を有する柱状の容器に封入されている。
【００８２】
ここで、参照信号３２は、時間波形ｒ（ｔ）を有する電気信号であるとする。一方、受信信号３１は、時間波形ｆ（ｔ）を有する電気信号であるとする。参照信号３２は疎密波生成部９１を経由して音響媒質３３へ入力される。図２を参照しながら説明したように、参照信号３２は、音響媒質３３の長手方向であるｙ軸正方向に伝搬する疎密波として音響媒質３３へ入力される。この粗密波が概ね平面波となるように、音響媒質３３の断面形状および疎密波生成部９１の構造が設計されている。
【００８３】
音響媒質３３は、単色光５に対して十分均一な光学媒質として機能する。十分均一な光学媒質とは、透過による強度減衰や散乱が少ない光学媒質を指す。例えば、光学ガラスなどの光学媒質や、気体及び液体などの固体でない媒質も適用可能である。
【００８４】
疎密波生成部９１によって生成された疎密波は、音響媒質３３を伝搬後に吸音材９２で反射されることなく吸収される。この結果、相関演算精度の劣化の要因となる音響媒質３３中の残響が生じないようになっている。
【００８５】
以下で述べるように、疎密波振幅の時間変動は近似的に矩形あるいは近似的にパルス状である。時間的に局在した信号は周波数領域において広い周波成分を持っているため、吸音材９２としては、疎密波の吸収減衰率の周波数特性が平坦な（周波数依存性が小さい）素材・構造が採用されることが好ましい。
【００８６】
本実施形態の光学式音響相関器１において、受信信号３１と参照信号３２との間の信号相関処理が正確に行われるためには、粗密波の音響媒質３３中における分散特性（粗密波の伝搬速度の周波数依存性）が少ない（平坦である）ことが必要である。音響媒質３３が急峻な分散特性（つまり狭帯域特性）を有する場合、受信信号３１及び参照信号３２の波形が、音響媒質３３中で崩れるため、受信信号３１と参照信号３２の正確な波形相関が観測できなくなるからである。
【００８７】
音響媒質３３中を伝搬する粗密波の伝搬速度と、それを囲む外界３５における粗密波の伝搬速度との間に、速度差が十分ある場合において、分散特性が少ないこと（緩やかな分散特性）を実現するためには、例えば以下のようにすればよい。すなわち、音響媒質３３の矩形断面の短辺の長さが、受信信号３１と参照信号３２とに含まれる最低周波数に対応する音響媒質３３中の粗密波の波長以上となるように構成されていることが望ましい。その場合、音響媒質３３中を伝搬する最低周波数以上の周波数を有する疎密波は、概ね自由空間を進行するものとみなせる。このとき、疎密波は、周波数に依らず音響媒質３３を構成する材料の物性値により決まる伝搬速度を有する。この結果、広帯域な導波が可能となり、導波による受信信号３１と参照信号３２の波形の崩れを抑圧することができる。
【００８８】
図４では、音響媒質３３の表面は直接外界３５に接しているように記載しているが、両者は、光学的に透明かつそれを通過する光束３４の波面を乱さない良好な光学特性を有する媒体を介して接するように構成されていても良い。例えば、音響媒質としてガス状の気体、液体などを適用する場合は、上記のような特性を有する媒体を用いることが望ましい。
【００８９】
一方、音響媒質３３が固体であり、外界３５中を伝搬する粗密波の音速と、音響媒質３３中を伝搬する粗密波の音速が概ね等しい場合、音響媒質３３から外界３５へ粗密波が浸潤しないように、音響媒質３３と外界３５との間に粗密波の音速が大きく異なる媒質を配置することが必要となる。以下、このような媒質を「隔離構造」と呼ぶ。隔離構造がない場合、粗密波生成部９１で生成された平面波が外界３５へ浸潤することによって減衰するとともに、波面の乱れが生じる。そのため、音響媒質３３において、十分均一な音場が実現されない。
【００９０】
以上のように、不定形の音響媒質３３の容器としての目的としてだけでなく、音響媒質３３を粗密波の減衰の少ない直線状の「導波路」として動作させる目的としても、外界３５から音響媒質３３を遮蔽することが好ましい。
【００９１】
なお、電気信号である受信信号３１と参照信号３２とを音響媒質３３に入力する疎密波生成部９１の構造および動作については、後述する。
【００９２】
次に、再び図２を参照しながら、音波伝搬部３ａ、３ｂおよび受光素子１０による受信信号３１と参照信号３２の相関処理の原理について詳しく説明する。
【００９３】
音波伝搬部３ａ，３ｂ中の音響媒質３３を伝搬する疎密波は、受信信号３１と参照信号３２の振幅・位相に応じた圧縮応力分布を各々の音響媒質３３中に生成する。圧縮応力分布が生成されていることは、音響媒質３３の構成物質中に密度分布が生成されていることと等価である。よって、透過する光線にとって圧縮応力分布は、屈折率分布変動による位相変化として感受される。このことは、例えば、屈折率ｎの等方的光学媒質中に存在する光路長Ｌを有する任意の光路を進む単色光光線と比較して、屈折率がｎ＋Δｎの等方的光学媒質中にある同一光路を辿る単色光光線は、ｋΔｎＬ（ｋ＝２π／λ，λは光線の波長）だけ位相が遅れることより理解できる。
【００９４】
以上の概念を基礎として、音波伝搬部３ａ，３ｂと受光素子１０は、受信信号３１と参照信号３２の相関処理を行なう。このことを具体的に説明するため、以下の説明では、時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１による疎密進行波と、時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２による疎密進行波とが、ある時刻ｔ０において各々の音響媒質３３上に形成する屈折率分布の変化量を、それぞれＦ（ｘ，ｔ０）、Ｒ（ｘ，ｔ０）とする。なお、屈折率分布の変化量とは、疎密波が存在する場合の屈折率分布から疎密波が存在しない時の屈折率分布（定数）を減じたものであり、すなわち、上記の説明におけるΔｎに相当する。
【００９５】
時刻ｔ０において、集光光学系９の入射側開口面上の位置ｘ１を通過する光線３８は、音波伝搬部３ａを通過し屈折率分布変化量Ｒ（ｘ１，ｔ０）に応じて位相変化を受けた光線（振幅Ａｒ）と、音波伝搬部３ｂを通過し屈折率分布変化量Ｆ（ｘ１，ｔ０）に応じて位相変化を受けた光線（振幅Ａｆ）の、２光線の重畳により生成された干渉光である。従って、光線３８の光強度は、両者の和の絶対値の２乗Ａｒ＾２＋Ａｆ＾２＋２・Ａｒ・Ａｆ・ｃｏｓ（ｋ｛２ｄ［Ｆ（ｘ１，ｔ０）−Ｒ（ｘ１，ｔ０）］＋ｎＬ｝）に比例する。ここで、図４に示すように、音波伝播部３ａ（および音波伝搬部３ｂ）の各々の音響媒質３３の光線進行方向に沿った厚さをｄ、図２におけるＡ経路１２とＢ経路１３との光路長差をＬ、音響媒質３３の平均屈折率をｎ、波数をｋ＝２π／λ（λは単色光５の波長）と表している。このように、光強度は位置ｘの関数であるため、集光光学系９の入射側開口面上には一般に、図３（ａ）に示すような不均一な干渉縞４００が生成される。
【００９６】
受光素子１０から出力される電気信号１４は光束３４の積分強度に比例するので、上記の状況設定下では、Ｓを光束３４の断面積として、電気信号１４は、Ａｒ＾２＋Ａｆ＾２＋２・Ａｒ・Ａｆ・∫ｃｏｓ（ｋ｛２ｄ［Ｆ（ｘ，ｔ０）−Ｒ（ｘ，ｔ０）］＋ｎＬ｝）ｄｘ／Ｓに比例する。次に、屈折率分布について、以下の式１が成立している状況を想定する。
【数１】
2011111398.tif 000003
【００９７】
このとき、上述の電気信号１４の出力信号の表現から分かるように、時刻ｔ０の瞬間では、たとえ各屈折率分布変化量Ｒ（ｘ，ｔ０）、Ｆ（ｘ，ｔ０）がｘ軸方向について変動していたとしても、図３（ｂ）に示すように、干渉後の集光光学系９の入射側開口面上における光束３４の断面には光強度分布が一切存在しない。このときの電気信号１４は、（Ａｒ）＾２＋（Ａｆ）＾２＋２・Ａｒ・Ａｆ・ｃｏｓ（ｋｎＬ）に比例する。そこで、以下で詳述するコントラスト観測部３９により、光路長差Ｌを｜ｋｎＬ｜＞２πとなるように変動させる。これにより、電気信号１４の強度は（Ａｒ−Ａｆ）＾２から（Ａｒ＋Ａｆ）＾２まで変動する。なお、電気信号１４の強度を（Ａｒ−Ａｆ）＾２から（Ａｒ＋Ａｆ）＾２まで変動させるためには、光路長差Ｌを｜ｋｎＬ｜≦πの範囲で変動させればよいが、本実施形態では、光学素子のアライメント誤差を考慮し、その２倍の振れ幅でＬを変動させるものとする。
【００９８】
電気信号１４の振幅の直流成分に対する比をコントラストと呼ぶ。Ａｒ＝Ａｆとすると、式１の成立下（図３（ｂ）の状況）においてコントラストＣ（ｍａｘ）は、以下の式２で表される。
【数２】
2011111398.tif 000004
【００９９】
ところが、式１が成立しない一般の状況である図２（ａ）に示す状況においては、Ｆ（ｘ，ｔ０）≠Ｒ（ｘ，ｔ０）となるため、以下の式３が成立する。
【数３】
2011111398.tif 000005
【０１００】
式３が成立することは、上式においてＬ＝０の場合を想定すると容易に理解できる。従って、光路長差Ｌを変化させた時の∫ｃｏｓ（ｋ｛２ｄ［Ｆ（ｘ，ｔ０）−Ｒ（ｘ，ｔ０）］＋ｎＬ｝）ｄｘ／Ｓの最大値をΔとすると、Δ＜１である。この場合の電気信号１４のコントラストＣは、以下の式４で表される。
【数４】
2011111398.tif 000006
【０１０１】
このことより、式１が成立する場合において電気信号１４のコントラストは最大となる。逆に、任意の時刻ｔにおいてＦ（ｘ，ｔ）とＲ（ｘ，ｔ）との相違が顕著になればなるほど、電気信号１４のコントラストは低下してゆく。
【０１０２】
以上のように、受光素子１４から出力される電気信号のコントラストの大小をコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１の波形と参照信号３２の波形との相違を判定することができる。以上が、音波伝搬部３ａ，３ｂと受光素子１０による、受信信号３１と参照信号３２の相関処理の原理である。
【０１０３】
以上、本実施形態における光学式音響相関器１の波面干渉計２と音波伝搬部３ａ，３ｂの各々の概略構成と動作について説明した。以下では、例として、上述のように構成された本装置が、符号拡散された音波を用いた通信システムの受信機側に設けられる逆拡散用の相関器として機能することを説明する。
【０１０４】
自由空間を伝搬する音響信号を用いた通信システムにおいても、電波による無線通信システムと同様に、高通信品質と高データ伝送速度の両立を図るため、送信信号として符号拡散された２値信号を用いることがある。
【０１０５】
図５は、拡散符号の適用により、入力データ（２値信号）４１が符号拡散された送信信号４３に変換される様子を示す模式図である。図５に示すように、符号拡散された信号４３は、２値性の入力データ４１（時間波形Ｄ（ｔ））に、入力データ４１の１ビット長と同一の時間長τを持つ２値性の拡散符号４２（時間波形Ｍ（ｔ））を乗ずることによって生成される。すなわち、符号拡散された信号４３は、時間波形Ｄ（ｔ）×Ｍ（ｔ）を有する。この例では、図５（ｂ）に示す拡散符号４２が参照信号３２に相当し、図５（ｃ）に示す符号拡散された信号４３が受信信号３１に相当する。
【０１０６】
なお、拡散符号４２の符号系列の種類にもよるが、通常はＭ系列に代表されるように、同一チップ長τ／ｎからなる２値性のｎビット符号が拡散符号４２として用いられる。従って、図５に示すように、符号拡散された信号４３において、「１」に相当するデータ４１は拡散符号４２と同一の時間波形として表現され、また、データ４１の「０」は振幅値を反転させた拡散符号４２として表現される。
【０１０７】
以上のようにして、送信機で生成された符号拡散された信号４３は、音響信号として自由空間中に送波され、受信機で受波される。その受波信号から拡散前のデータを再生するためには、「逆拡散」と呼ばれる復調処理が必要となる。この逆拡散が、本実施形態における光学式音響相関器１によりなされることを以下に説明する。
【０１０８】
逆拡散処理を行なうために、受信機において、まず以下の２つの信号処理（Ａ），（Ｂ）が実行される。
（Ａ）受信信号３１と参照信号３２のタイミング調整処理
（Ｂ）受信信号３１と参照信号３２の振幅調整処理
【０１０９】
まず、信号処理（Ａ）について説明する。受信機は、送信機側で用いられた拡散符号４２と同一の符号を生成する手段を内蔵している。信号処理（Ａ）は、受信機内で参照信号３２の生成タイミングを受信信号３１の符号の開始タイミングに合うように調整する処理である。具体的には、図３に示す音波伝搬部３ａの疎密波生成部９１側の端面に参照信号３２の符号の開始を示す信号（図５において参照信号開始４５と表示）が入力されると、同時刻に、受信信号３１の符合の開始を示す信号（図５において受信信号開始４４と表示）が、もう一方の音波伝搬部３ｂの疎密波生成部９１側の端面に丁度入力されるように、受信機内で参照信号３２の生成タイミングが調整される。このようなタイミング調整は、例えば、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式に代表される無線通信システムで用いられる多種多様な信号同期方法（例えば、同期調整用の信号の送受信）を適用することによって実現される。
【０１１０】
次に、信号処理（Ｂ）について説明する。受信信号３１および参照信号３２は２値性の信号であるが、音響媒質３３へ入力される時点において、一般に両信号が同一振幅値を持つ保証はない。そこで、信号処理（Ｂ）により、両信号が同一の振幅値を有するよう受信信号３１の振幅がフィードバック補償される。自由空間を伝搬してきた音波は微弱であるので、雑音による感度の劣化を最小にするために受波後直ちに増幅することが望ましい。増幅後の受信信号の信号強度を一定値に保つ方法としては、電波を用いた通信機器において広く適用されている「自動利得調整（Ａｕｔｏ  ｇａｉｎ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）回路」を用いる方法がある。この方法は、電波を用いた通信システムのみならず、例えば、音響信号を用いた通信システムにおいても適用できる。
【０１１１】
ここで、信号処理（Ａ）及び（Ｂ）が終了したとする。本実施形態では、データ４１の１ビットの伝送時間τの間に、丁度１ビット分の符号拡散された信号４３が疎密進行波として伝搬するように、音響媒質３３のｙ軸方向の長さは調整されている。すなわち、音響媒質３３の長さは、疎密進行波の伝搬速度にτを乗じたものに等しい。
【０１１２】
図６（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図６（ａ）に示すように、ある時刻ｔ１において、符号拡散された信号４３中の「１」に相当する符号列が音波伝搬部３ｂの音響媒質３３全体に伝搬したとすると、それに応じて音響媒質３３内で受信信号３１による屈折率分布６１が生成される。
【０１１３】
一方、同時刻において参照信号３２は、受信信号３１と同一の屈折率分布（図６の参照信号３２による屈折率分布６２）を音波伝搬部３ａの音響媒質３３中に生成する。従って、式１の条件が満足されるため、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストは最大となる。また、上の説明より類推されるように時刻ｔ１の前後においては式１が満足されないために、コントラストは低くなる。従って、コントラストの時間変動は時刻ｔ１においてパルス的（パルス幅はτ／（２ｎ））に最大値を与え、その前後においては両信号の相関が悪化するため、ノイズ状の不規則な時間変動となる。
【０１１４】
一方、図６（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図６（ｂ）に示すように、符号拡散された信号４３（受信信号３１）の中で「０」に相当する符号列が音波伝搬部３ｂの音響媒質３３全体に伝搬したとすると、式１が満足されないため、やはりコントラストの増強は生じない。以上の方法により、本実施形態における光学式音響相関器１による受信信号３２の逆拡散処理が実行される。
【０１１５】
図６（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子１０から出力された信号１４の時間波形の例を示す図である。逆拡散処理により、受信信号３１は、ビット長τを持つパルス信号として、受光素子１０からの出力信号１４に現れる。受光素子１０からの出力信号１４において、受信信号３１に拡散されたデータは、パルス状の波形としてビットの最後に出現する。送波時の“１”は、復調信号中で“パルス有”として、送波時の“０”は復調信号中で“パルス無し”として現れる。実際のデータ再生は、適当な閾値を設定し、受光素子１０からの出力信号１４におけるパルス状波形の有無を判定することによりなされる。
【０１１６】
次に、本実施形態における光学式音響相関器１の各部の具体的構成について述べる。まず、光学式音響相関器１の大まかなサイズについて述べる。拡散符号４２としてチップ長１０μｓｅｃ（中心周波数１００ｋＨｚの超音波の１波長を１チップとして用いることを想定）の３次Ｍ系列を適用した場合（従って最大１００ｋＨｚの超音波信号を含む）、ビット長は（２＾３−１）×１０μｓｅｃ＝０．０７ｍｓｅｃとなる。従って、音響媒質３３として疎密進行波の音速が５０ｍ／ｓの物質（例えば、シリカナノ多孔体）を適用すれば、逆拡散に必要とされる音響媒質３３の全長は３．５ｍｍとなる。従って、単色光光源４を除く光学式音響相関器１全体の大きさは高々数センチメートルとなる。したがって、本実施形態による光学式音響相関器１を用いた通信機器は、従来技術と比較して、大幅に小型化できる。
【０１１７】
次に、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストを観測する手法、およびその具体的観測手段（コントラスト観測部３９）について説明する。図７は、反射鏡１１ａ（あるいは反射鏡１１ｂ）を光束進行方向に対して平行に振動させる装置構成の概略を示す図である。図７に示すように、本実施形態においては、反射鏡１１ａは、圧電振動体７２を間に介して固定台７１に固定される。圧電振動体７２は、コントラスト観測部３９から角周波数ωの正弦信号が印加された場合、同一角周波数で、単色光５の波長に換算して振幅１／４波長程度の厚み振動を行う。この厚み振動により、ビームスプリッタ８により分割された２光束が、Ａ経路１２とＢ経路１３を経由し最終的に干渉するまでに経るそれぞれの光路の光路長差の時間変動が実現できる。この光路長差は、角周波数ωで１波長程度変化するために、集光光学系９の入射開口面における干渉縞は、全体として角周波数ωで明滅する。従って、受光素子１０から出力される電気信号は、角周波数ωで時間的に変動する信号となる。コントラスト観測部３９は、その信号を広域通過フィルタで濾波することによりコントラストを測定することができる。
【０１１８】
次に、音波伝搬部３ａ、３ｂのそれぞれの音響媒質３３に、受信信号３１と参照信号３２を疎密進行波として入力するための、疎密波生成部９１の装置構成について説明する。図８は、音波伝搬部３ａ，３ｂの端部に設けられた疎密波生成部９１の詳細構造を示した断面図である。図８に示すように、音響媒質３３は板状圧電振動体９３を介して固定台９４に頑強に固定されている。板状圧電振動体９３は、特に強固に固定台９４に固定されており、板状圧電振動体９３に電気信号（受信信号３１あるいは参照信号３２）が入力された際に、板状圧電振動体９３は厚さ方向（図８向かって左右方向）にのみ伸縮運動をする。
【０１１９】
このように、受信信号３１と参照信号３２は、それぞれ各音波伝搬部３ａ，３ｂに敷設された板状圧電振動体９３に入力され、各信号に応じた疎密波を音響媒質３３中に発生させる。それらの信号波形が正しく音響媒質３３内の疎密進行波波形として再現されるためには、広い周波数帯にわたって、入力信号電圧と板状圧電振動体９３の伸縮量との線形性が確保されなければならない。そのため、板状圧電振動体９３の厚さは、板状圧電振動体９３に固有の最低共振周波数が、両信号に含まれる周波数成分の最高周波数の少なくとも数倍になるよう、設定されている。また、音響媒質３３中に励起された疎密波が正しく平面波となるため、音響媒質３３の端面を十分被覆するように板状圧電振動体９３の敷設領域が設定されている。
【０１２０】
以上、本実施形態における光学式音響相関器１の構成と動作について説明した。かかる構成によれば、参照信号３２と、参照信号３２に同期し、かつ参照信号３２と同一振幅値を持つように自動利得調整された受信信号３１とが疎密進行波として音波伝搬部３ａ，３ｂにそれぞれ入力される。その結果、音波伝搬部３ａ，３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に各々の信号に依存した屈折率分布が生成される。各屈折率分布は、２つの独立な光束の波面形状として捉えられる。両光束を波面干渉させることにより光束断面に干渉縞が発現する。受光素子１０においてその干渉縞の積分強度が電気信号１４に変換され、そのコントラストが観測される。これにより、小型受動素子として光学式音響相関器を実現することができる。
【０１２１】
なお、上記の説明において、図２では、音波伝搬部３ａには参照信号３２が入力され、音波伝搬部３ｂには受信信号３１が入力されるが、両者が逆転して入力されても同様に機能することは言うまでもない。すなわち、音波伝搬部３ａに受信信号３２を入力し、音波伝搬部３ｂに参照信号３１を入力しても本実施形態の効果に変わりはない。また、図２に示す構成では、音波伝搬部３ａには参照信号３１に基づく疎密進行波がｙ軸正方向に伝搬し、音波伝搬部３ｂには受信信号３１に基づく疎密進行波がｘ軸負方向に伝搬するが、これらの疎密進行波の伝搬方向は逆転していても同様に機能することも言うまでもない。以上のことから、本実施形態における音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成をまとめると、図９Ａに示す４種類が考えられる。
【０１２２】
音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成としては、更に図９Ｂに示す４種類が考えられる。図９Ａに示す装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２による音響媒質３３中の疎密進行波の波形が一致した瞬間の前後τ／（４ｎ）に、局在したパルス状（全パルス幅はτ／（２ｎ））の相関信号が受光素子１０から出力される電気信号１４に出現することを、図６（ｃ）を参照して説明した。
【０１２３】
しかし、図９Ｂに示す装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２による音響媒質３３中の疎密進行波波形が一致した場合、受光素子１０から出力される電気信号１４中に出現するパルス状の相関信号の全パルス幅はτ／２となり、図９Ａの構成に比べ全パルス幅は、ｎ倍に拡大される。ｎは拡散符号４２のチップ数であるから、拡散符号４２を構成するチップ幅が短く、十分なパルス幅を持った相関信号が得られない場合には本構成は優位に作用する。
【０１２４】
なお、図２において、ビームスプリッタ８、音波伝搬部３ａ，３ｂ、反射鏡１１ａ，１１ｂの間は空気層が挿入されているように表されているが、図１０に示すように、これらの構成要素の全てを接触させて配置しても良い。
【０１２５】
空気層のゆらぎによる影響は、集光光学系９の入射側開口面上で干渉縞として出現し、受信信号３１および参照信号３２のみから生成される干渉縞に重畳する場合がある。このため、逆拡散（復調）された信号のノイズを低減するという観点において、これらの空気層を排除することは優位に作用する。もちろん、装置全体の小型化のためにも、本構成は優位に作用する。なお、図４の説明でも述べたように、構成要素の接触によって音響媒質３３中の疎密進行波の他の構成要素への浸潤が問題になる場合には、疎密波の伝搬速度が音響媒質３３における伝搬速度とは大きく異なる光学媒体で音響媒質３３を囲み、疎密進行波の浸潤を防止することが必要である。
【０１２６】
（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器は、単色光光源４および反射鏡の振動を用いる代わりに２周波ゼーマンレーザに代表される２周波直線偏波レーザ８０を用いて光ヘテロダイン検波を行う点が実施形態１の光学式音響相関器と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１２７】
図１１は、本実施形態における光学式音響相関器１０１の概略構成図である。図８に示すように、図２に示す光学式音響相関器１の装置構成における単色光光源４を２周波直線偏波レーザ８０に置き換えることに加え、新たに３つの光学素子が実施形態１の構成に加えて挿入される。なお、本実施形態では、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１ａまたは反射鏡１１ｂを振動させず、受光信号１４のコントラストの観測のみを行う。
【０１２８】
２周波直線偏波レーザ８０は、互いにわずかに周波数の異なる２つの直線偏波光を生成する。これらの２つの直線偏波光の角周波数差をωと表す。それらの偏波面は出射光線中において直交している。
【０１２９】
本実施形態では、図１１に示すように、図２におけるビームスプリッタ８の代わりに偏光ビームスプリッタ８１に変更するが配置される。なお、偏光ビームスプリッタ８１の偏光軸は上記の２つの直線偏波光のいずれかの偏波面に一致させておく。これにより、偏光ビームスプリッタ８１において、上記２つの直線偏波光のどちらか一方は反射されＡ経路１２を辿るが、他方は透過しＢ経路１３に沿って進行する。両経路１２，１３中にはそれぞれ、１／４波長板８３が挿入されている。各経路を進む光束は、それぞれ音波伝搬部３ａ、３ｂを透過し、反射鏡１１ａ，１１ｂで折り返され再び偏光ビームスプリッタ８１に到達するまでに１／４波長板８３を２回通過する。従って、各経路１２，１３を進む直線偏波光の偏波面は９０°回転する。
【０１３０】
従って、Ａ経路１２を経て偏光ビームスプリッタ８１に戻ってきた光束は偏光ビームスプリッタ８１を透過し、Ｂ経路１３を経て偏光ビームスプリッタ８１に戻ってきた光束は偏光ビームスプリッタ８１で反射される。このため、両光束は共に集光光学系９に向かう一本の光束に統合される。統合された光束はまだ互いに偏波面が直交しており互いに干渉することはない。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ８１の集光光学系９側に面した光学面に、統合された上記２つの光束の各偏波面に対して４５°の偏光軸を有する偏光板８２が挿入される。これにより、偏光板８２に入射する２つの光束は、偏光板８２を透過後に干渉する。そして、２つの光束は、偏光板８２を通過後の光束断面において干渉縞を生成する。両者は周波数差ωを有するので、干渉縞は強度分布を変えることなく全体として周波数ωで明滅する。
【０１３１】
従って、受光素子１０から出力される電気信号１４は周波数ωで変動する正弦波状信号となり、実施形態１で説明したような信号検波方法を適用することによりコントラストを測定することができる。このように、本実施形態では、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂの一方を振動させることなく、電気信号１４のコントラストを測定することができる。このコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１および相関信号３２の相関を検出することができる。なお、図１１では偏光板８２を偏光ビームスプリッタ８１と集光光学系９との間に配置しているが、集光光学系９の光学特性に偏波依存性がない場合は偏光板８２を集光光学系９と受光素子１０との間に挿入してもよいことは言うまでもない。
【０１３２】
（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態による光学式音響相関器１３１は、波面干渉計２における光学系の配置が実施形態１の光学式音響相関器１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１３３】
図１２は、本実施形態の光学式音響相関器の装置構成の概略を示す図である。図１２において、図１と同じ構成要素については同一の符号を用いている。以下の説明において、図１２に示すｘｙｚ座標系を用いる。実施形態１の波面干渉計２がマイケルソン・モーレー干渉計に分類される光学系構成を有しているのに対して、本実施形態の波面干渉計２はマッハツェンダー干渉計に分類される光学系構成を有している。
【０１３４】
本実施形態においても、単色光光源４から出射した単色光５は、実施形態１と同様な動作原理により波面干渉し、集光光学系９の入射側開口面近傍における光束断面に受信信号３１と参照信号３２の信号相関に依存した干渉縞を生成する。そして、集光光学系９による干渉光の積分強度が受光素子１０により電気信号１４として出力される。さらに、実施形態１と同様、コントラスト観測部３９（図６，図７参照）により、電気信号１４のコントラストが計測される。以上の動作によって受信信号３１と参照信号３２との信号相関処理を行う点において、本実施形態の光学式音響相関器１３１は、実施形態１の光学式音響相関器１と同様に動作する。
【０１３５】
音波伝搬部３ａ，３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に形成された屈折率分布を各々独立な光束の波面形状に写し取り、両光束の波面形状の差異を干渉縞として表現する変換器として波面干渉計２が動作することは実施形態１で詳述したとおりである。本実施形態の波面干渉計２においてもこの動作は同様である。
【０１３６】
本実施形態では、アパーチャ７の直後にあるビームスプリッタ８ａを透過した光束は、音波伝搬部３ａを透過し、その直後にある反射鏡１１ａでｚ軸正方向に反射された後もう一方のビームスプリッタ８ｂで反射される。一方、ビームスプリッタ８ａで反射された光束は、反射鏡１１ｂでさらに反射され、音波伝搬部３ｂを透過し、もう一方のビームスプリッタ８ｂを透過する。これらの２つの光束は、集光光学系９によって受光素子１０に集光される。これらの集光された光束が、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。
【０１３７】
以下、本実施形態におけるコントラスト観測手段の実装について説明する。本実施形態においても、図７に示した２枚の反射鏡１１ａ，１１ｂのどちらか一方を平行に振動させる方法を適用することができる。反射鏡１１ａ，１１ｂのいずれか一方を例えばｘ軸に平行な方向に振動させればよい。より一般的に述べれば、振動方向は振動させたい反射鏡の反射面の面外方向であり、反射面が平行移動するように振動させればよい。図１２に示す構成では、一例として、コントラスト観測部３９によって反射鏡１１ａをｘ方向に振動させている。
【０１３８】
本実施形態におけるコントラスト観測手段として、実施形態２（図１１）における２周波直線偏波レーザを用いたヘテロダイン検波による方法を用いることも可能である。図１１の構成を実装する場合は、単色光光源４を２周波直線偏波レーザ８０に置き換えるとともに、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂを２つの偏光ビームスプリッタ８１に交換すればよい。さらに、２つの偏光ビームスプリッタ８１の偏光軸を互いに直交させるとともに、両偏光軸が２周波直線偏波レーザ８０から出射される光線の偏光面に一致するように、光軸を回転軸として２周波直線偏波レーザ８０を回転させ偏波面を調整すればよい。音波伝搬部３ａ，３ｂを通過してきた各々の光束の偏波方向は直交しておりそのままでは干渉しないため、偏光軸が各光束の偏波面に対して４５°の角度をもった偏光板８２が集光光学系９の直前に挿入される。この構成では、電気信号１４は２周波直線偏波レーザ８０に含まれる２周波光の差周波数をもったビート信号となるため、反射鏡１１ａ、１１ｂの一方を振動させることなくコントラストを観測することができる。なお、偏光板８２は、集光光学系９と受光素子１０の間に挿入しても同様に機能する。
【０１３９】
以上の構成により、本実施形態の構成によれば、実施形態１、２における装置構成では物理的に大きな容積が必要であったビームスプリッタ８を小型化することが可能となる。このため、更に小型かつ光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０１４０】
なお、図１２において、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ、音波伝搬部３ａ，３ｂ，および平面鏡１１ａ，１１ｂは空間的に孤立して存在しているように表現されているが、そのような構成に限定されるものではない。図１３（ａ）に示すように、これらの構成要素を接触させるように構成してもよい。
【０１４１】
なお、図１３（ａ）に示すように、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ間の光学的接続素子として機能する反射鏡１１ａ，１１ｂを、新たに導入したプリズム１４１の所望の端面に接触させることによって、これらの構成要素を完全に密着させて構成することができる。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングすることによって同様の構成を実現してもよい。
【０１４２】
実施形態１の説明で述べたように、受光素子１０から出力される電気信号１４の安定性や装置の小型化の観点から、図１３（ａ）に示す構成は優位に機能する。また、図１３（ａ）に示す構成は２つの音波伝搬部３ａ，３ｂを通過する各々の光束が経由する光路の光路長を概ね等しくすることが出来るため、単色光光源４として広帯域光源（例えば、半導体レーザや発光ダイオード）を適用することが可能となる。このため、光学式音響相関器のコスト低減に際しても優位に機能する。ただし、広帯域光源を適用する場合、広帯域な２周波直線偏波光源の構成が技術的に困難であるため、コントラスト観測手段としては実施形態１に示した構成を適用するとよい。
【０１４３】
また、本実施形態の波面干渉計２としてのマッハツェンダー干渉計の他の可能な光学系構成として、図１３（ｂ）に示す構成を適用することもできる。図１３（ａ）の光学系構成と同様に、受光素子１０から出力される電気信号１４の安定性や装置の小型化の観点から、図１３（ｂ）の構成においてもプリズム１４１の端面に反射鏡１１ａ，１１ｂを接触させ、波面干渉計２中に存在する光路を全て光学媒質中に存在させるよう構成することが好ましい。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングを施してもよい。また、図１３（ｂ）の光学系構成において、音波伝搬部３ａの屈折率分布を反映した波面形状をもつ光束は直線状の経路を辿るため、各素子の光学調整が容易になるという利点も有している。
【０１４４】
本実施形態においても実施形態１と同様、受信信号３１と参照信号３２の音波伝搬部３ａ，３ｂへの入力の順序や方向は特に限定されない。図１４および図１５に示す構成のいずれも適用可能であることは言うまでもない。ただし、図１４および図１５の構成においては、受光素子１０から出力される電気信号１４中に現れるパルス状相関信号の全パルス幅に差異がある点については、実施形態１で説明したとおりである。
【０１４５】
（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。本実施形態の光学式音響相関器１１１は、音波伝搬部３ａ、３ｂの代わりに音波伝搬部３ｃが設けられている点と、波面干渉計２の構成とが実施形態１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１４６】
図１６に、本実施形態における光学式音響相関器の斜視図を示す。図１６に示すように、本実施形態における光学式音響相関器１は、波面干渉計２と音波伝搬部３ｃとの２つの主要部位を備えている。以下の説明では、図１６に示すｘｙ座標を用いる。
【０１４７】
本実施形態では、実施形態１における音波伝搬部３ａの代わりに、同様の材料から構成される音波伝搬部３ｃが設けられており、音波伝搬部３ｂは設けられていない。さらに、本実施形態における波面干渉計２は、実施形態１における反射鏡１１ｂの代わりにビームストッパ２８を有し、ビームスプリッタ８と音波伝搬部３ｃとの間に参照平面（参照面）２９を有している。本実施形態では、音波伝搬部３ｃの側面からｙ軸正方向に参照信号３２が入力され、反対側の側面からｙ軸負方向に受信信号３１が入力される。
【０１４８】
以下、光源４から出射された単色光５のうち、ビームスプリッタ８で反射された光束が伝搬するＡ経路１２と、ビームスプリッタ８を透過した光束が伝搬するＢ経路１３とを説明する。
【０１４９】
まず、Ａ経路１３を進行する光束は、信号雑音の原因となる迷光や散乱光を生成することなく、ビームストッパ２８により良好に吸収される。
【０１５０】
一方、Ｂ経路２７を進む光束は、参照平面２９によってビームスプリッタ８方向へ反射されるＢｒｅ経路２１０と、音波伝搬部３ｃに向かって参照平面２９を透過してゆくＢｔｒａｎｓ経路２１２とに更に分割される。なお、参照平面２９のｘ軸負側にある光学面は、単色光５の波長に換算して十分な平面精度（少なくとも１／８波長以上）を有している。
【０１５１】
次に、Ｂｒｅ経路２１０およびＢｔｒａｎｓ経路２１２の２つの経路を進む光束の振る舞いを説明する。
【０１５２】
まず、Ｂｒｅ経路２１０を説明する。参照平面２９で反射されたＢｒｅ経路２１０を進む光束は、ビームスプリッタ８により、２つの成分に分かれる。ビームスプリッタ８で反射される成分は、集光光学系９により受光素子１０に集光され、積分された光強度が電気信号１４に変換される。例えば、集光光学系９は、Ｂｒｅ経路２１０を進む光束の進行方向に対して、ビームスプリッタ８で９０度の方向に反射された位置に配置されている。なお、ビームストッパ２８と集光光学系９とは、ビームスプリッタ８を介して互いに対面した位置に配置されている。
【０１５３】
また、Ｂｒｅ経路２１０を進む光束のうちビームスプリッタ８を透過する成分は単色光光源４に戻ることになる。単色光光源４は、単色光光源４に戻る光を遮蔽すること等により、単色光光源４が単色光５の発射する動作に影響を与えないように、戻り光対策がなされている。
【０１５４】
次に、Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を説明する。Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を進む光束は、音波伝搬部３ｃを通過し、反射鏡２１５により反射される。そして、反射された光は、再び音波伝搬部３ｃを通過する。
【０１５５】
音波伝搬部３ｃには、受信信号３１及び参照信号３２が入力され、それらに応じた粗密波が形成されている。図１６に示す音波伝搬部３ｃにおいて、濃淡で表している部分が粗密波に相当する。音波伝搬部３ｃに入射する前の光束の波面は平面である。音波伝搬部３ｃを２回通過した後の光束の波面は、音波伝搬部３ｃに粗密波として入力される受信信号３１と参照信号３２との波形の相関に応じて、平面からずれる。このことは、後述の音波伝搬部３ｃの説明において、詳細に説明する。
【０１５６】
そして、音波伝搬部３ｃを２回通過することによって波形相関の情報を波面形状に反映した光束のうち、参照平面２９を透過した光束は、先述のＢｒｅ経路２１０を進む光束と同一経路を辿る。その光束の一部は、ビームスプリッタ８で反射され、集光光学系９により受光素子１０に集光される。受光素子１０により、集光された光束の積分強度が電気信号１４に変換される。
【０１５７】
上記構成において、各構成要素は、受信信号３１および参照信号３２が音波伝搬部３ｃに入力されていない状態で、音波伝搬部３ｃを透過し受光素子１０に向かうＢｔｒａｎｓ経路を伝搬する光束と、参照平面２９で反射され受光素子１０に向かうＢｒｅ経路を伝搬する光束とが十分に干渉するように配置される。さらに、集光光学系９の入射側開口面直前において、干渉光束の光束断面における光強度分布が十分均一（すなわち、ゼロフリンジ状態）になるよう、各構成要素の面精度の確保とそれらの十分な光軸調整とが行われる。
【０１５８】
図１７は、光束の波面の乱れが干渉縞として出現することを説明するための模式図である。図１７（ａ）は音響干渉部３の波面に乱れがある場合の例を示し、図１７（ｂ）は、波面の乱れがない場合の例を示している。
【０１５９】
図１７（ａ）に示すように、音波伝搬部３ｃに音響信号（粗密波）を入力した時、音波伝搬部３ｃを通過する光束に波面の乱れが生成される。集光光学系９に入射する開口面の直前位置での光束断面において、その波面の乱れが干渉縞４００として現れることを観察することができる。
【０１６０】
受光素子１０は、干渉光（波面の乱れを有する光）の積分強度が受光されるため、干渉縞がまったくない場合に、最も高いコントラスト（＝信号振幅値／信号の時間平均値）を持った電気信号が受光素子１０から出力される。一方、波面の乱れが顕著になるほど複雑な干渉縞が生成され、受光素子１０から出力される電気信号のコントラストは低下する。
【０１６１】
つまり、受光素子１０から出力される電気信号のコントラストを観測することによって、音波伝搬部３ｃでを通った光束の波面の乱れの強弱を判断することができる。受光素子１０から出力される電気信号のコントラストの具体的な測定法については後ほど詳述する。
【０１６２】
次に、再び図１６を参照して、各構成要素の光学調整法を説明する。ビームスプリッタ８の４つの入・出射面、参照平面２９のｘ軸正側にある光学面、音波伝搬部３ｃの２つの入・出射面には反射防止膜が形成されていることが好ましい。これは、各光学面で生成される多重反射光線が上記干渉縞に重畳し干渉することを防ぐためである。また、多重反射光線の強度を低減するために、これら各々の光学面が、その面を通過する光束の波面に対して、平行にならないよう所望の角度がつけられていることが好ましい。また、参照平面２９のｘ軸負側にある光学面には、反射膜のコーティングを施し、所望の反射率にしてもよい。
【０１６３】
次に、本実施形態における光学式音響相関器１１１の音波伝搬部３ｃの構成を説明する。図１８は、本実施形態における光学式音響相関器１１１の音波伝搬部３ｃの上面図である。図１８は、図１の音波伝搬部３ｃの拡大図に相当し、両図の方位関係を一致させている。すなわち、図１８における右側に反射鏡１１が存在している。
【０１６４】
図１８に示す音波伝搬部３ｃは、音響媒質３３、及び音響媒質３３の両端に配置された粗密波生成部９１を有している。音響媒質３３は、例えば、矩形断面を有する柱状の容器に封入されている。
【０１６５】
時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１と、時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２の２つの電気信号が、粗密波生成部９１を経由して、音波伝搬部３ｃに入力される。音響媒質３３への入力されるこれらの電気信号は、音響媒質３３を長手方向に伝搬する粗密波に変換される。この粗密波は、図１８の音響媒質３３の長手方向であるｙ軸に平行に進行する平面波である。この粗密波が概ね平面波となるように、音響媒質３３の断面形状および粗密波生成部９１の構造が設計されている。
【０１６６】
次に、音波伝搬部３ｃの動作について説明する。
【０１６７】
音響媒質３３を伝搬する粗密波は、音響媒質３３中に圧縮応力分布を生成する。この圧縮応力分布は、音響媒質３３を構成する物質の密度分布に相当する。よって、この圧縮応力分布は、音響媒質３３を透過する光束に対する屈折率分布に相当する。
【０１６８】
ここで、ある時刻ｔ０において、時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１と時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２とによる粗密波が、音響媒質３３上に形成する屈折率分布をそれぞれＦ（ｘ，ｔ０）、Ｒ（ｘ，ｔ０）とする。次に、屈折率分布が以下の式５を満足する状況を想定する。
【数５】
2011111398.tif 000007
【０１６９】
このような状況下で、時刻ｔ０の瞬間における音響媒質３３中の屈折率分布は、その場所によらず均一である。そのため、粗密波が伝搬しているにもかかわらず、あたかも信号が無い場合（粗密波が伝搬していない）と同様に、音波伝搬部３ｃを通過する光束の波面形状の乱れは生じない。この状態は、図１７（ｂ）に示す状態に相当する。
【０１７０】
ゆえに、式５が成立する場合、図１６に示す受光素子１０から出力される電気信号のコントラストは最大となる。また逆に、任意の時刻ｔにおいてＦ（ｘ，ｔ）と−Ｒ（ｘ，ｔ）との分布の相違が顕著になればなるほど、受光素子２１４から出力される電気信号のコントラストは小さくなる。
【０１７１】
以上のように、音波伝搬部３ｃは、受光素子２１４から出力される電気信号のコントラストの大小に応じて、受信信号３１の波形の形状と参照信号３２の波形の形状との相違を判定する素子として動作する。
【０１７２】
以下、本実施形態における光学式音響相関器１を、符号拡散された音波を用いた通信システムの受信機側に設けられる逆拡散用の相関器に適用する場合の例を説明する。
【０１７３】
本実施形態においても、図５に示す符号拡散方式を想定する。実施形態１と同様、逆拡散処理を行なうために、受信機において、以下の２つの信号処理（Ａ），（Ｂ）が遂行される。
（Ａ）受信信号３１と参照信号３２のタイミング調整処理
（Ｂ）受信信号３１と参照信号３２の振幅調整処理
【０１７４】
まず、信号処理（Ａ）について説明する。図１９は、受信器において拡散符号４２から参照信号３２が生成される様子を示す模式図である。受信機は、送信機側で用いられた拡散符号４２と同一の符号を生成する手段を予め内包している。図５に示すように、拡散符号４２を時間反転し、さらに−１を乗じた信号が参照信号３２として供給される。
【０１７５】
信号処理（Ａ）は、受信機内で参照信号３２の生成タイミングを受信信号３１の符号の開始タイミングに合うように調整する処理である。具体的には、図１８における音響媒質３３の端面に参照信号３２の符号の開始（図１９において参照信号開始５１と表示）が入力されると、同時刻に、受信信号３１の符合の開始（図５において受信信号開始４４と表示）が音響媒質３３のもう一方の端面に丁度入力されるよう、受信機内で参照信号３２の生成タイミングが調整される。このようなタイミング調整は、例えば、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式に代表される無線通信システムで用いられる多種多様な信号同期方法（例えば、同期調整用の信号の送受信）を適用することによって実現される。
【０１７６】
信号処理（Ｂ）については、実施形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０１７７】
本実施形態においても、図１８における音響媒質３３のｙ軸方向の長さは、図５におけるデータ４１の１ビット長の時間において、丁度１ビット分の符号拡散された信号４３が粗密波として伝搬するように調整される。
【０１７８】
図２０（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図２０（ａ）に示すように、ある時刻ｔ１において、符号拡散された信号４３のなかで「１」に相当する符号列が音響媒質３３全体に伝搬したとすると、それに応じて音響媒質３３内で受信信号３１による屈折率分布６１が生成される。
【０１７９】
一方、同時刻において参照信号３２は、受信信号３１とは逆の屈折率分布に相当する参照信号３２による屈折率分布６２を生成する。従って、このとき、式５の条件が満足されるため、図１６における受光素子１０から出力される電気信号のコントラストは最大となる。また、上述の説明より類推されるように時刻ｔ１の前後においては、式５が満足されないためにコントラストは低くなる、従って、コントラストの時間変動は時刻ｔ１においてパルス的（パルス幅はτ／（２ｎ））に最大値を与え、その前後においてはノイズ状の不規則な時間変動をする。
【０１８０】
一方、図２０（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図２０（ｂ）に示すように、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列が音響媒質３３全体に伝搬したとすると式５は満足されないため、やはりコントラストの増強は生じない。以上のようにして、本実施形態における光学式音響相関器１１１による受信信号３２の逆拡散処理が実行される。
【０１８１】
図２０（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子１０から出力された信号１４の時間波形の例を示す図である。実施形態１と同様、逆拡散処理により、受信信号３１は、ビット長τを持つパルス信号として、受光素子２１４からの出力信号６４に現れる。受光素子１０からの出力信号１４において、受信信号３１に拡散されたデータは、パルス状の波形としてビットの最後に出現する。送波時の“１”は復調信号中で“パルス有”として、送波時の“０”は復調信号中で“パルス無し”として現れる。実際のデータ再生は、適当な閾値を設定し、受光素子１０からの出力信号１４におけるパルス状波形の有無を判定することによりなされる。
【０１８２】
このように、本実施形態の光学式音響相関器１１１によれば、実施形態１と同様、受光素子１０から出力される出力信号１４のコントラストを観測することにより、受信信号３１と参照信号３２とが相関しているか否かを判定できる。本実施形態においても、コントラストの観測は、図１６に示すコントラスト観測部３９が、反射鏡１１を振動させることによって行われる。具体的には、コントラスト観測部３９は、周波数ωの正弦波信号が入力されると、単色光５の波長をλとして、圧電振動体７２を振幅λ／４程度で振動させるように制御する。
【０１８３】
次に、音響媒質３３に受信信号３１と参照信号３２を粗密波として入力するための装置構成を説明する。
【０１８４】
図２１は、音波伝搬部３ｃの端部に設けられた粗密波生成部の詳細構造を示した斜視図である。図２１に示すように、音波伝搬部３ｃの端部に設けられた粗密波生成部９１は、吸音材９２と多数の圧電振動体９３のマトリクス構造となっている。
【０１８５】
音響媒質３３中を伝搬する粗密波が十分平坦な波面をもつ粗密平面波となるためには、各圧電振動体９３の配置間隔は、音響媒質３３中に生成されるべき粗密波の最小波長に換算して、少なくとも１／２波長以下であることが望ましい。
【０１８６】
各々の圧電振動体９３には受信信号３１あるいは参照信号３２が電気信号として同相入力される。それに応じて各圧電振動体９３は図中の矢印方向に伸張することにより、単体では粗密波点波源として動作するが、各々の圧電振動体９３によって生成された粗密波は重畳されて最終的には良好な粗密平面波となる。
【０１８７】
なお、吸音材９２が必要となる理由については次のとおりである。本実施形態における音波伝搬部３ｃでは、受信信号３１と参照信号３２とを対面する端面から入力するために、端面での粗密波の良好な吸音が実現されないと、反射波が生成され、それによる屈折率分布がノイズとして受光素子１０からの出力信号に混入し、コントラストの低下を来たす。この問題を回避するために吸音材９２の敷設が必要となる。
【０１８８】
以上、本実施形態における光学式音響相関器１１１の構成と動作を説明した。かかる構成によれば、受信信号３１と同期した参照信号３２、および、参照信号３２と同一振幅値を持つように自動利得調整された受信信号を粗密音波として音波伝搬部３ｃに入力、干渉させて屈折率分布を音響媒質３３に生成する。その屈折率分布を光束の波面形状を介して干渉縞として発現させ、受光素子１０においてその積分強度を電気信号に変換し、そのコントラストを観測する。これにより、小型受動素子として光学式音響信号相関器を実現することができる。
【０１８９】
なお、本実施形態において、図１６に示すように、音波伝搬部３ｃへの受信信号３１および参照信号３２の入力は、それぞれ音波伝搬部３ｃの両端面のｙ軸正・負方向側からなされるものとしたが、この位置関係が逆転してもよいことは言うまでもない。
【０１９０】
また、ビームスプリッタ８，ビームストッパ２８，参照平面２９，音波伝搬部３ｃ，反射鏡１１の間は空気層が挿入されているように説明したが、図２２に示すように、これら全てを接触させて配置しても良い。参照平面２９と音波伝搬部３ｃとの間、および音波伝搬部３ｃと反射鏡１１との間に存在する空気層の揺動による影響は干渉縞として出現するため、逆拡散（復調）された信号のノイズを低減するという観点において、これらの空気層を排除することは優位に作用する。もちろん、装置全体の小型化のためにも、本構成は優位に作用する。
【０１９１】
また、上記の説明では、参照平面２９は別個の光学素子として説明したが、図１１に示すように、ビームスプリッタ８の光学面１１０（あるいは、音波伝搬部３ｃのビームスプリッタ８側に面する光学面）で代用しても良い。この場合、光学素子の数を減じることになるため、装置の小型化と各素子の光軸調整を用意にする点において優れる。
【０１９２】
（実施形態５）
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器は、実施形態４と比較して、単色光光源４および反射鏡１１の振動を用いる代わりに２周波ゼーマンレーザに代表される２周波直線偏波レーザ８０を用いて光ヘテロダイン検波を行う点が異なっている。以下、実施形態４と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１９３】
図２４は、本実施形態における光学式音響相関器１１２の概略構成を示す図である。図２４において、図１６に示す構成と比較して、単色光光源４が２周波直線偏波レーザ８０に置き換わっているとともに、新たに２つの光学素子が挿入されている。なお、本実施形態では、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１を振動させず、受光信号１４のコントラストの観測のみを行う。
【０１９４】
２周波直線偏波レーザは、互いにわずかに周波数の異なる２つの直線偏波光を生成する。これらの２つの直線偏波光の角周波数差をωと表す。それらの偏波面は出射光線中において直交している。そこで、本実施形態では、図２４に示すように、参照平面２９のｘ軸負側の光学面に偏波選択性の反射コーティング８４が施される。反射コーティング８４の偏波選択性は、その表面において、２直線偏波光のいずれか一方は反射されるが、他方は透過するように設計されている。また、ビームスプリッタ８の集光光学系９側の光学面に、上記２つの直線偏波光の各偏波面に対して４５°の偏光軸を有する偏光板８２が挿入される。
【０１９５】
偏光板８２を通過することによって、参照平面２９からの反射光束と音波伝搬部３ｃで波面形状に変調を被った光束とが干渉し、干渉縞が生成される。両者の光束は周波数差ωを有するので、干渉縞は強度分布を変えることなく全体として周波数ωで明滅する。
【０１９６】
従って、受光素子１０から出力される電気信号１４は周波数ωで変動する正弦波状信号となり、実施形態４の説明で述べたような信号検波方法を適用することによりコントラストを測定することができる。このように、本実施形態では、反射鏡１１を振動させることなく、電気信号１４のコントラストを測定することができる。このコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１および相関信号３２の相関を検出することができる。なお、図２４では、偏光板８２をビームスプリッタ８１と集光光学系９との間に配置しているが、集光光学系９の光学特性に偏波依存性がない場合は偏光板８２を集光光学系９と受光素子１０との間に配置してもよい。
【０１９７】
（実施形態６）
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。本実施形態による光学式音響相関器１２１は、波面干渉計２における光学系の配置が実施形態４の光学式音響相関器１１１と異なっている。以下、実施形態４と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１９８】
図２５は、本実施形態の光学式音響相関器１２１の装置構成を示す上面図である。図２５において、図１６と同じ構成要素については同じ符号を用いている。実施形態４の波面干渉計２がフィゾー干渉計に分類されるものであるのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マイケルソン・モーレー干渉計に分類されるものである。
【０１９９】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態４と同様の原理により、波面干渉し、その積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３と２の信号相関を行う点において、実施形態４と同様に動作する。波面干渉計２は、音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を、平面からの波面形状の乱れとして干渉縞の形態に変換する変換器として動作することは実施形態４の説明で詳述したとおりである。本実施形態においては、ビームスプリッタ８でｙ軸正方向に反射され、反射鏡１１で反射される際に音波伝搬部３ｃを２回通過し、受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。また、ビームスプリッタ８を通過し、ｘ軸正方向にある反射鏡１１で反射された後にビームスプリッタ８で反射され、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。このように、本実施形態の構成は、実施形態４の構成と同様に動作する。
【０２００】
本実施形態によれば、参照平面２９が不要となるため、さらに小型で光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２０１】
なお、図２５において、ビームスプリッタ８，音波伝搬部３ｃ，両平面鏡１１は接触させているように表現したが、各々を孤立して配置してもよいことは言うまでもない。しかしながら、前述したように、受光素子１０からの電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図２５に示す構成を採用することが望ましい。また、受信信号３１および参照信号３２の音波伝搬部３ｃ端部への各入力方向は、図２５に示す方向と比較して逆転していても良いことは言うまでもない。
【０２０２】
更に、コントラストの測定手段として、実施形態４と同様に、図２５に示す２枚の平面鏡１１のどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態５と同様、図２４に示す２周波直線偏波レーザを用いたヘテロダイン検波によっても実現することができる。後者の構成を採用する場合、ビームスプリッタ８を偏光ビームスプリッタに変更し、偏光ビームスプリッタとｘ軸正方向の反射鏡１１との間、および偏光ビームスプリッタと音波伝搬部３ｃとの間または音波伝搬部３ｃと反射鏡１１との間に１／８波長板を挿入し、更に、偏光ビームスプリッタと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成により、実施形態５と同様、ビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸は、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面と一致させ、偏光板の偏光軸は、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すればよい。
【０２０３】
（実施形態７）
次に、本発明の第７の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器１３１は、実施形態４と比較して、波面干渉計２の構成が異なっている。以下、実施形態４と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２０４】
図２６は、本実施形態の光学式音響相関器１３１の装置構成を示す斜視図である。実施形態４の波面干渉計２がフィゾー干渉計、実施形態６の波面干渉計２がマイケルソン・モーレー干渉計に分類される光学系構成を有しているのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マッハツェンダー干渉計に分類される光学系構成を有している。
【０２０５】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態４と同様の原理により波面干渉し、干渉光の積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３２との信号相関を行う点において、実施形態４および実施形態６と同様である。
【０２０６】
音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を、平面波からの波面形状の乱れとして干渉縞に変換する変換器として波面干渉計２が動作することは実施形態４の説明で詳述したとおりである。本実施形態においては、アパーチャ７の直後にあるビームスプリッタ８ａを透過した後に音波伝搬部３ｃを透過し、直後にある反射鏡１１ａでｚ軸正方向に反射され、かつ、もう一方のビームスプリッタ８ｂでも反射され、そして受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。また、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａによりｚ軸正方向に反射され、反射鏡１１ｂでｘ軸正方向に折り返され、もう一方のビームスプリッタ８ｂを透過し、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。以上のように、本実施形態の光学式音響相関器１３１は、前述の実施形態４、および、実施形態６と同様に動作する。
【０２０７】
以上のように構成することにより、実施形態６と同様に参照平面２９が省略可能となるため、小型かつ光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２０８】
なお、図２６において、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ、音波伝搬部３ｃ、２つの平面鏡１１ａ、１１ｂは、空間的に孤立して存在しているように表現したが、図２７（ａ）に記すように、これらの構成要素を接触させるように構成してもよい。なお、図２７（ａ）に記すように、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ間の光学的接続素子として機能する反射鏡１１ａ、１１ｂを、新たに導入したプリズム１４１の所望の端面に接触させることによって、これらの構成要素を完全に密着させて構成することができる。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングすることによっても同一構成を実現できる。実施形態４、６の説明で述べたように、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図２７（ａ）に示す構成を採用することが望ましい。
【０２０９】
また、本実施形態の波面干渉計２としてのマッハツェンダー干渉計の構成として、図２７（ｂ）に示すような構成を適用することもできる。図２７（ａ）の光学系構成と同様に、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図２７（ｂ）の構成においてもプリズム１４１の端面に反射鏡１１ａ、１１ｂを接触させ、波面干渉計２中の光路を全て光学媒質中に存在させるよう構成することが望ましい。また、図２７（ｂ）の光学系構成においては、音波伝搬部３ｃの屈折率分布を反映した波面形状をもつ光束は直線状の経路を辿るため、各素子の光学調整が容易になるという利点も有している。
【０２１０】
なお、本実施形態においても、音波伝搬部３ｃの２つの端部への受信信号３１と参照信号３２の入力順序は特に限定されず、どちらにおいても同様に機能することは言うまでもない。
【０２１１】
更に、コントラストの測定手段として、実施形態４、６と同様に、２枚の平面鏡１１ａ、１１ｂのどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態５のように、図２４に示す２周波直線偏波レーザ８０を用いたヘテロダイン検波により実現する構成を採用してもよい。
【０２１２】
例えば、図２７（ａ）の構成においてヘテロダイン検波を行うためには、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａを偏光ビームスプリッタに変更し、更に、もう一方のビームスプリッタ８ｂと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成によってビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸を、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面方向と一致させ、また、前記偏光板の偏光軸を、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すれば良好なビート光を生成させることができる。
【０２１３】
（実施形態８）
次に、本発明の第８の実施形態を説明する。本実施形態の光学式音響相関器１１１は、実施形態４の構成と比較して、平行に配置された２つの音波伝搬部３ａ、３ｂを有しており、それらの一方に受信信号３１が入力され、他方に参照信号３２が入力される点が異なっている。以下、実施形態４と異なる点を中心に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２１４】
図２８に、本実施形態における光学式音響相関器１１４の斜視図を示す。図２８に示すように、本実施形態における光学式音響相関器１１４は、波面干渉計２と音波伝搬部３ａ、３ｂとを備えている。以下の説明では、図２８に示すｘｙ座標を用いる。
【０２１５】
本実施形態における光束の伝搬経路は、実施形態４における経路と全く同様であるが、Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を伝搬する光束が、２つの音波伝搬部３ａ、３ｂを通過する点が実施形態４とは異なっている。２つの音波伝搬部３ａ、３ｂの一方にはｙ軸正方向に参照信号３２が入力され、他方にはｙ軸負方向に受信信号３１が入力される。
【０２１６】
図２９は、本実施形態における音波伝搬部３ａ、３ｂの上面図である。図２９は、図２８に示す音波伝搬部３ａ、３ｂの拡大図に相当し、両図の方位関係は一致している。
【０２１７】
図２９に示す音波伝搬部３ａ、３ｂの各々は、音響媒質３３と、音響媒質３３の端面に配置された粗密波生成部９１及び吸音材９２を有している。２つの音響媒質３３は、概ね平行になるように配置されている。音響媒質３３は、例えば、矩形断面を有する柱状である。また、粗密波生成部９１及び吸音材９２は、音響媒質３３の互いに対向する面に配置されている。このように、本実施形態における音波伝搬部３ａ、３ｂは、実施形態１における音波伝搬部３ａ、３ｂと同様の構成を有している。
【０２１８】
時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１、および時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２の２つの電気信号が、粗密波生成部９１を経由して、各々の音響媒質３３に入力される。すなわち、粗密波生成部９１は、音響媒質３３の電気信号が入力される端面に配置されている。本実施形態では、図２９に示すように、入力される受信信号３１及び参照信号３２は、互いに逆の方向から入力される。
【０２１９】
これらの音響媒質３３へ入力される電気信号は、音響媒質３３中を長手方向に伝搬する粗密波である。この粗密波は、図２９に示す音響媒質３３の長手方向であるｙ軸に平行に進行する平面波である。この粗密波が平面波となるように、音響媒質３３の断面形状、及び粗密波生成部９１の構造が設計されている。
【０２２０】
以上の構成により、本実施形態の光学式音響相関器１１４は、実施形態４における光学式音響相関器（図１６）と全く同様の動作を行う。本実施形態においても、図２０を参照して説明した議論が全く同様に成立する。Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を経由した光束とＢｒｅ経路を経由した光束との干渉光を受光素子１０で検出し、出力信号１４のコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、２つの信号の相関が判定される。このために、本実施形態においても、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１がｘ方向に振動するように制御する。
【０２２１】
以上のように、本実施形態によれば、実施形態４と同様、受信信号３１と同期した参照信号３２、および、参照信号３２と同一振幅値を持つように自動利得調整された受信信号３１が疎密音波として音波伝搬部３ａ、３ｂに入力される。音波伝搬部３ａ、３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に各々の信号に依存した屈折率分布が生成し、各屈折率分布の和が光束の波面形状を介して干渉縞として発現する。受光素子１０においてその積分強度が電気信号に変換され、コントラスト観測部３９によってそのコントラストが観測される。このような動作により、小型受動素子として光学式音響信号相関器を実現することができる。
【０２２２】
なお、本実施形態においては、図２９に示すように、音波伝搬部３ａ、３ｂへの受信信号３１および参照信号３２の入力は、音響媒質３３中を伝搬するそれぞれの疎密波がｙ軸負・正方向に進行するが、この位置関係が逆転してもよいことは言うまでもない。すなわち、図３０Ａに示す音波伝搬部３ａ、３ｂの４つの構成は全て同様に機能する。
【０２２３】
音波伝搬部３ａ、３ｂの可能な構成としては、更に図３０Ｂに示す４種類の構成が可能である。図３０Ａの装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２とが反転した瞬間の前後τ／（４ｎ）に局在したパルス状（全パルス幅はτ／（２ｎ））の相関信号が受光素子１０から出力される出力信号１４に出現する。一方、図３０Ｂに示す装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２とが反転した場合に受光素子１０から出力される出力信号１４中に出現するパルス状の相関信号の全パルス幅はτ／２となる。したがって、図３０Ａの構成に比べ、図３０Ｂの構成では、全パルス幅がｎ倍に拡大される。拡散符号４２を構成するチップ幅が短くなるため、十分なパルス幅を持った相関信号が得られない場合には本構成は優位に作用する。
【０２２４】
なお、図２８に示す構成では、ビームスプリッタ８，ビームストッパ１２，参照平面２９，音波伝搬部３ａ、３ｂ、反射鏡１１の間は空気層が挿入されているように表されている。しかしながら、図３１に示すように、これら全てを接触させて配置しても良い。参照平面２９と音波伝搬部３ａ、３ｂとの間、および音波伝搬部３ａ、３ｂと反射鏡１１との間に存在する空気層の揺動は干渉縞として出現するため、逆拡散（復調）された信号のノイズを低減する点において、これらの空気層を排除することは優位に作用する。もちろん、装置全体の小型化のためにも、本構成は優位に作用する。なお、受信信号３１と参照信号３２との混ざりこみを防ぐために、疎密波伝搬速度が音響媒質３３から大きく異なる光学媒体を、２つの音響媒質３３の間に挿入することが好ましい。
【０２２５】
また、参照平面２９は、他の光学系とは別個の光学素子として説明したが、図３２に示すように、ビームスプリッタ８の光学面１１０（あるいは、音波伝搬部３ａ、３ｂのビームスプリッタ８側に面する光学面）で代用しても良い。この場合、光学素子の点数を減じることになるため、装置の小型化と各素子の光軸調整を容易にする点において優れる。
【０２２６】
（実施形態９）
次に、本発明の第９の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器は、実施形態８と比較して、単色光光源４および反射鏡の振動を用いる代わりに２周波ゼーマンレーザに代表される２周波直線偏波レーザ８０を用いて光ヘテロダイン検波を行う点が異なっている。以下、実施形態８と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２２７】
図３３は、本実施形態における光学式音響相関器の概略構成を示す図である。図３３において、図２８に示す構成と比較して、単色光光源４が２周波直線偏波レーザ８０に置き換わっているとともに、新たに２つの光学素子が挿入されている。なお、本実施形態では、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１を振動させず、受光信号１４のコントラストの観測のみを行う。
【０２２８】
２周波直線偏波レーザは互いにわずかに周波数の異なる２つの直線偏波光を生成する。これらの２つの直線偏波光の各周波数差をωと表す。それらの偏波面は出射光線中において直交している。そこで、本実施形態では、図３３に示すように、参照平面２９のｘ軸負側の光学面に偏波選択性の反射コーティング８４が施される。反射コーティング８４の偏波選択性は、その表面において、２直線偏波光のいずれか一方は反射されるが、他方は透過するように設計されている。また、ビームスプリッタ２５の集光光学系２１３側の光学面に、前記２直線偏波光の各偏波面に対して４５°の偏光軸を有する偏光板８２が挿入される。
【０２２９】
偏光板８２を通過することによって、参照平面２９からの反射光束と音波伝搬部３ａ、３ｂで波面形状に変調を被った光束とが干渉し、干渉縞が生成される。両者の光束は周波数差ωを有するので、干渉縞は強度分布を変えることなく全体として周波数ωで明滅する。
【０２３０】
従って、受光素子１０から出力される電気信号１４は周波数ωで変動する正弦波状信号となり、実施形態８の説明で述べたような信号検波方法を適用することによりコントラストを測定することができる。このように、本実施形態では、反射鏡１１を振動させることなく、電気信号１４のコントラストを測定することができる。このコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１および相関信号３２の相関を検出することができる。なお、図３３では、偏光板８２をビームスプリッタ８１と集光光学系９との間に配置しているが、集光光学系９の光学特性に偏波依存性がない場合は偏光板８２を集光光学系９と受光素子１０との間に配置してもよい。
【０２３１】
（実施形態１０）
次に、本発明の実施形態１０を説明する。本実施形態による光学式音響相関器１２２は、波面干渉計２における光学系の配置が実施形態８の光学式音響相関器１１１と異なっている。以下、実施形態８と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２３２】
図３４は、本実施形態の光学式音響相関器１２２の装置構成を示す上面図である。図３４において、図２８と同じ構成要素については同じ符号を用いている。実施形態８の波面干渉計２がフィゾー干渉計に分類されるものであるのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マイケルソン・モーレー干渉計に分類されるものである。
【０２３３】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態８と同様の原理により波面干渉し、その積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３２の信号相関を行う点において、実施形態８と同様に動作する。  波面干渉計２は、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に形成された屈折率分布を、平面からの波面形状の乱れとして干渉縞の形態に変換する変換器として動作することは実施形態８の説明で詳述したとおりである。本実施形態においては、ビームスプリッタ８でｙ軸正側に反射され、反射鏡１１で反射される際に音波伝搬部３ａ、３ｂを２回通過し、受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ａ、３ｂにより形成される波面の乱れを伝達する光束成分に相当する。また、ビームスプリッタ８を通過し、ｘ軸正方向にある反射鏡１１で反射された後にビームスプリッタ８で反射され、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。このように、本実施形態の構成は、実施形態８の構成と同様に動作する。
【０２３４】
本実施形態によれば、参照平面２９が不要となるため、さらに小型で光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２３５】
なお、図３４において、ビームスプリッタ８，音波伝搬部３ａ、３ｂ，両平面鏡１１は接触させているように表現したが、各々を孤立して配置してもよいことは言うまでもない。しかしながら、前述したように、受光素子１０からの電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図３４に示す構成を採用することが望ましい。また、受信信号３１および参照信号３２の音波伝搬部３ａ、３ｂ端部への入力方向は、図３４に示した方向以外にも、図３０Ａおよび図３０Ｂに示した方向がここでも適用可能であることは良いことは言うまでもない。ただし、図３０Ａの構成と図３０Ｂの構成とでは、受光素子１０からの出力信号１４に出現するパルス状相関信号の全パルス幅に差異がある点については、実施形態８の説明で述べたとおりである。
【０２３６】
更に、コントラストの測定手段としては実施形態８と同様に、図３４に示す２枚の反射鏡１１のどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態９と同様、図３３に示す２周波直線偏波レーザ８０を用いたヘテロダイン検波により実現することもできる。後者を採用する場合、ビームスプリッタ８を偏光ビームスプリッタに変更し、偏光ビームスプリッタとｘ軸正方向の反射鏡１１との間、および偏光ビームスプリッタと音波伝搬部３ａ、３ｂとの間または音波伝搬部３ａ、３ｂと反射鏡１１との間に１／８波長板を挿入し、更に、偏光ビームスプリッタと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成により、実施形態９と同様、ビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸は、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面と一致させ、偏光板の偏光軸は、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すればよい。
【０２３７】
（実施形態１１）
次に、本発明の第１１の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器１３２は、実施形態８と比較して、波面干渉計２の構成が異なっている。以下、実施形態８と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２３８】
図３５は、本実施形態の光学式音響相関器１３２の装置構成を示した斜視図である。実施形態４の波面干渉計２がフィゾー干渉計、実施形態６の波面干渉計２がマイケルソン・モーレー干渉計に分類される光学系構成を有しているのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マッハツェンダー干渉計に分類される光学系構成を有している。
【０２３９】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態４と同様の原理により波面干渉し、干渉光の積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３２との信号相関を行う点において、実施形態８および実施形態１０と同様である。
【０２４０】
音波伝搬部３ａ、３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に形成された屈折率分布を、平面波からの波面形状の乱れとして干渉縞に変換する変換器として波面干渉計２が動作することは、実施形態８で詳述したとおりである。本実施形態においては、アパーチャ７の直後にあるビームスプリッタ８ａを透過した後に音波伝搬部３ａ、３ｂを透過し、直後に配置された反射鏡１１ａでｚ軸正方向に反射され、かつ、もう一方のビームスプリッタ８ｂでも反射され、そして受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。また、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａによりｚ軸正方向に反射され、反射鏡１１ｂでｘ軸正方向に折り返され、もう一方のビームスプリッタ８ｂを透過し、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。以上のように、本実施形態の光学式音響相関器１３２は、実施形態８、および、実施形態１０の光学式音響相関器と同様に動作する。
【０２４１】
以上のように構成することにより、実施形態１０と同様に参照平面２９が省略可能となるため、小型かつ光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２４２】
なお、図３５において、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ、音波伝搬部３ａ、３ｂ、２つの平面鏡１１ａ、１１ｂは、空間的に孤立して存在しているように表現したが、図３６（ａ）に示すように、これらの構成要素を接触させるように構成してもよい。なお、図３６（ａ）に記すように、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ間の光学的接続素子として機能する反射鏡１１ａ、１１ｂを、新たに導入したプリズム１４１の所望の端面に接触させることによって、これらの構成要素を完全に密着させて構成することができる。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングすることによっても同一構成を実現できる。実施形態８、１０の説明で述べたように、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図３６（ａ）に示す構成を採用することが望ましい。
【０２４３】
また、本実施の形態の波面干渉計２としてのマッハツェンダー干渉計の構成として、図３６（ｂ）に示すような構成を適用することもできる。図３６（ａ）の光学系構成と同様に、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図３６（ｂ）の構成においてもプリズム１４１の端面に反射鏡１１ａ、１１ｂを接触させ、波面干渉計２中の光路を全て光学媒質中に存在させるよう構成することが望ましい。また、図３６（ｂ）の光学系構成においては、音波伝搬部３ａ、３ｂの屈折率分布を反映した波面形状をもつ光束は直線状の経路を辿るため、各素子の光学調整が容易になるという利点も有している。
【０２４４】
なお、実施形態８、１０と同様、本実施形態においても、音波伝搬部３ａ、３ｂの２つの端部への受信信号３１および参照信号３２の入力方向は特に限定されず、図３０Ａおよび図３０Ｂに示す構成のいずれも適用可能であることは言うまでもない。ただし、図３０Ａの構成と図３０Ｂの構成とでは、受光素子１０からの出力信号１４に出現するパルス状相関信号の全パルス幅に差異がある点については、実施形態８の説明で述べたとおりである。
【０２４５】
更に、コントラストの測定手段として、実施形態８、１０と同様に、２枚の平面鏡１１ａ、１１ｂのどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態９（図３３）と同様、２周波直線偏波レーザを用いたヘテロダイン検波により実現することもできる。
【０２４６】
例えば、図３６（ａ）の構成においてヘテロダイン検波を行うためには、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａを偏光ビームスプリッタに変更し、更に、もう一方のビームスプリッタ８ｂと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成により、ビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸を、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面方向と一致させ、また、偏光板の偏光軸を、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すれば良好なビート光を生成させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２４７】
本発明にかかる光学式音響相関器によれば、互いに任意形状の時間波形を有する２つの信号の相似性を光学的に検知することが可能となるため、複数の信号を処理する受動相関器等として有用である。また、本発明にかかる光学式音響相関器から出力される相関信号は、タイミング制御されたパルス状信号であるため、パルス波発生装置や、タイミング制御可能な任意パルス信号生成器等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【０２４８】
１、１０１、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１２１、１２２、１２３、１３１    光学式音響相関器
２    波面干渉計
３、３ａ，３ｂ、３ｃ    音波伝搬部
４    単色光光源
５    単色光
６    拡大光学系
７    アパーチャ
８    ビームスプリッタ
９    集光光学系
１０    受光素子
１１、１１ａ，１１ｂ    反射鏡
１２    Ａ経路
１３    Ｂ経路
１４    電気信号
２８    ビームストッパ
２９    参照平面
３１    受信信号
３２    参照信号
３３    音響媒質
３４    光束
３５    外界
３６    入射時波面
３７    出射時波面
３８    光線
３９    コントラスト観測部
４０    光源
４１    データ
４２    拡散符号
４３    符号拡散された信号
４４    受信信号開始
５１    参照信号開始
６１    受信信号３１による屈折率分布
６２    参照信号３２による屈折率分布
６４    受光素子１０からの出力信号
７１，９４    固定台
７２    圧電振動体
８０    ２周波直線偏波レーザ
８１    偏光ビームスプリッタ
８２    偏光板
８３    １／４波長板
８４    偏波選択性の反射コーティング
９１    疎密波生成部
９２    吸音材
９３    板状圧電振動体
１００ａ  第１の光束
１００ｂ  第２の光束
１１０    光学面
１４１    プリズム
１５１ａ，１５１ｂ    搬送波生成回路
１５２ａ，１５２ｂ    信号生成回路
１５３ａ，１５３ｂ    変調器
１５４ａ，１５４ｂ    増幅器
１５５    光学系
１５６    集光光学系
１５７    受光素子
１５８    空間フィルタ
１５９ａ，１５９ｂ    音響媒質
１５１０ａ，１５１０ｂ    圧電振動子
２００  光学系
２１０  Ｂｒｅ経路
２１２  Ｂｔｒａｎｓ経路
３００  受信システム
３０１  ダウンコンバータ
３０２  オートゲインコントローラ
３０３  データ再生部
３０４  同期制御部
３０５  同期回路
３０６  逆拡散用符号列生成部
【図１Ａ】
2011111398.tif 000008
【図１Ｂ】
2011111398.tif 000009
【図２】
2011111398.tif 000010
【図３】
2011111398.tif 000011
【図４】
2011111398.tif 000012
【図５】
2011111398.tif 000013
【図６】
2011111398.tif 000014
【図７】
2011111398.tif 000015
【図８】
2011111398.tif 000016
【図９Ａ】
2011111398.tif 000017
【図９Ｂ】
2011111398.tif 000018
【図１０】
2011111398.tif 000019
【図１１】
2011111398.tif 000020
【図１２】
2011111398.tif 000021
【図１３】
2011111398.tif 000022
【図１４】
2011111398.tif 000023
【図１５】
2011111398.tif 000024
【図１６】
2011111398.tif 000025
【図１７】
2011111398.tif 000026
【図１８】
2011111398.tif 000027
【図１９】
2011111398.tif 000028
【図２０】
2011111398.tif 000029
【図２１】
2011111398.tif 000030
【図２２】
2011111398.tif 000031
【図２３】
2011111398.tif 000032
【図２４】
2011111398.tif 000033
【図２５】
2011111398.tif 000034
【図２６】
2011111398.tif 000035
【図２７】
2011111398.tif 000036
【図２８】
2011111398.tif 000037
【図２９】
2011111398.tif 000038
【図３０Ａ】
2011111398.tif 000039
【図３０Ｂ】
2011111398.tif 000040
【図３１】
2011111398.tif 000041
【図３２】
2011111398.tif 000042
【図３３】
2011111398.tif 000043
【図３４】
2011111398.tif 000044
【図３５】
2011111398.tif 000045
【図３６】
2011111398.tif 000046
【図３７】
2011111398.tif 000047
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相関を取るべき２つの信号を、透光性の音響媒質中を伝搬する音響疎密波に変換し、それらを透過した２つの光束の干渉光を観測することにより、２つの信号の相関を検出する光学式音響相関器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波や超音波を用いた通信システムは、現在、様々なセンサに搭載され、利用されている。これらのセンサへの要求仕様の最たるものに、物理的小型性はもとより、システム的な小型性、すなわち、センサが搭載されているシステムへの負荷が小さいことが挙げられる。
【０００３】
通信システムでは、高機能化、例えば、通信品質の確保および情報伝送の効率化のために、拡散符号を用いて変復調された信号が利用される場合がある。そのような通信システムを構成する送受信機（主に受信機）において、受信した信号（受信信号）と、拡散符号に基づいて自機で生成した信号（参照信号）との間の相関を検出する相関器は、不可欠な構成要素である。
【０００４】
一般に、このような通信方式を用いた受信機における相関処理は、受信した電波や超音波の信号をアナログ／デジタル変換器によりデジタル信号に変換した後、プログラムとして計算機上に実装されたデジタルフィルタや相関器によって実行される。これらの処理に要する計算量は大きく、信号遅延を最小限に抑えるために、高速な計算機が必要とされる。従って、この点と上記センサへの要求仕様との両立は、高機能な通信機器を実現する際の課題となる。
【０００５】
この課題に対して、例えば特許文献１には、光と音波を利用して、システム的に小型で、かつ高速動作が可能な光学式音響相関器が開示されている。この光学式音響相関器は、まず、相関を取るべき２つの信号を、それぞれ所望の周波数を有する搬送波（正弦波）に対応する振幅変調信号に変換する。すなわち、２信号を振幅変調信号として搬送波周波数にアップコンバートする。それらの振幅変調信号を弾性波（疎密波）に変換して各々別個の音響媒質中に伝搬させることによって２つの屈折率分布型回折格子が生成される。両回折格子により回折された回折光の強度を測定することにより、２信号の相関信号が得られる。
【０００６】
図３７に、特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器の構成を示す。図３７において、搬送波生成回路１５１ａ，１５１ｂは、圧電振動子１５１０ａ，１５１０ｂの共振周波数に一致した周波数を有する正弦波（搬送波）を生成する。信号生成回路１５２ａ，１５２ｂで生成された２つの信号は、それぞれ変調器１５３ａ，１５３ｂにより、正弦波の振幅値の時間変動が２つの信号の時間波形に比例するように変換される。すなわち、２つの信号は、搬送波周波数に等しい周波数の振幅変調信号にアップコンバートされる。
【０００７】
振幅変調を受けた搬送波は増幅器１５４ａ，１５４ｂにより増幅された後、圧電振動子１５１０ａ，１５１０ｂにそれぞれ入力される。圧電振動子１５１０ａ、１５１０ｂは、入力信号に応じた弾性波を、音響媒質１５９ａ，１５９ｂにそれぞれ伝搬させる。これらの弾性波は音響媒質１５９ａ，１５９ｂ中に屈折率分布を誘起する。音響媒質１５９ａ、１５９ｂに生成された弾性波は、それぞれ圧電振動子１５１０ａ，１５１０ｂの共振周波数に等しい周波数を持ち、入力された信号に従って振幅値が時間変動する正弦波である。したがって、音響媒質１５９ａ、１５９ｂに誘起された屈折率分布は、弾性波１波長に相当する格子間隔を持ち、弾性波伝搬速度で伝搬する屈折率分布型回折格子となる。
【０００８】
互いに逆方向に弾性波が伝搬する２つの屈折率分布型回折格子に向けて、レーザ光源１５１は、レーザ光を出射する。レーザ光源１５１から出射されたレーザ光は、光学系１５５により十分なビーム径に拡大され、音響媒質１５９ａ、１５９ｂに入射する。その結果、様々な回折次数を持った回折光束が生成される。回折光束は、集光光学系１５６によって集光され、空間フィルタ１５８上に複数の輝点を形成する。空間フィルタ１５８により、所望の次数の回折光に相当する輝点のみが抽出され、その光強度が受光素子１５７によって電気信号として出力される。
【０００９】
なお、相関器として動作させるためには、両屈折率分布型回折格子において０次回折光に相当しない回折光の輝点を観測しなければならない。回折光強度は屈折率分布型回折格子における屈折率分布のコントラスト（∝屈折率変動幅／平均屈折率）の２乗に比例する。従って、受光素子１５７から出力される電気信号の強度は、音響媒質１５９ａ，１５９ｂの各々に生成される屈折率分布型回折格子のコントラストの積の２乗に比例する。ここで、各々の屈折率分布型回折格子のコントラストは、信号生成回路１５２ａ，１５２ｂで生成された各々の信号の強度に概ね比例する。よって、ある時刻における受光素子１５７から出力される電気信号の強度は、信号処理における時間遅延を無視すると、同時刻における２つの信号の強度の積の２乗に比例する。
【００１０】
従って、電気信号の強度の平方根を求めることによって、両信号の相関信号（この場合は両信号の「積」に相当）が得られる。以上が、特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器の動作である。
【００１１】
このように、特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器は、アナログ／デジタル変換手段やデジタル信号処理手段を一切持たず、システム的に小型である。加えて、この相関器は、全ての相関処理を受動処理しているため、高速で遅延による影響が小さいという点で優れている。従って、特許文献１に開示された光学式音響相関器を有する超音波センサ等の機器は、それが搭載されたシステム全体（例えば、超音波センサを備えたロボット）に与える負荷が小さいという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開昭５９−２０１０２０号公報（第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、必要な次数の回折光を良好に捕らえるためには、物理的に大型の光学系が必要であり、これを備える超音波センサの物理的サイズが大きくなるという課題を有している。
【００１４】
例えば、弾性波の伝搬速度が１０００ｍ／ｓ（十分な回折光強度を得るために必要な、高屈折率かつ力学的に硬い物質におけるおおよその伝搬速度に相当）の音響媒質を用い、周波数１００ＭＨｚの搬送波を適用した場合、弾性波波長は１０μｍとなる。散乱光による輝点の広がりが半径２．５ｍｍで十分に減衰すると想定すると、１次回折光の輝点は０次回折光の輝点から５ｍｍ以上離れて出現することが必要である。従って、波長６００ｎｍのレーザ光を照射したとき、一つの屈折率分布型回折格子による１次回折光の輝点が、０次回折光の輝点から５ｍｍ離れて出現するために必要とされる音響媒質１５９ｂから空間フィルタ１５８までの距離は、約８３．３ｍｍとなる。従って、従来構成の光学式音響相関器を内蔵する超音波センサ等の機器の大型化は必至である。
【００１５】
また、現在の電波や超音波を用いた通信システムでは、上述のように、高機能化を目的として信号変復調方式に符号拡散が用いられることがある。その場合、２信号の相関処理は各信号の瞬時値について行われるのではなく、ある一定の時間における２信号の時間波形の相関を測定することが必要となる。
【００１６】
しかしながら、従来の構成では、一定の時間内の２信号の時間波形の相関を測定するためには、音響媒質１５９ａ，１５９ｂのサイズを極めて大きくしなければならないという課題を有している。
【００１７】
例えば、１０００ｍ／ｓの弾性波伝搬速度を有する音響媒質を用いて、時間間隔０．０７ｍｓｅｃの信号の相関処理をするためには、少なくともその時間間隔分の信号に相当する振幅変動を伴う弾性波の全てが音響媒質１５９ａ，１５９ｂ内に存在していなければならない。この場合、音響媒質１５９ａ、１５９ｂに必要な長さは７０ｍｍとなる。光学系１５５、集光光学系１５６の開口径は、音響媒質１５９ａ、１５９ｂの長さと同程度にする必要があるため、従来の光学式音響相関器を内蔵した機器は大型になる。
【００１８】
本発明は、以上の課題を解決するものであり、システム的に小型であるだけでなく、高速処理が可能で、かつ物理的に小型にできる光学式音響相関器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の光学式音響相関器は、光源と、透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部に前記第１の疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第２の音波伝搬部に前記第２の粗密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、前記第１の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部とを備えている。
【００２０】
本発明の他の光学式音響相関器は、光源と、透光性の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波、および予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を、前記音波伝搬媒質部に互いに対向する向きに伝搬させる音波伝搬部と、前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記音波伝搬部に前記第１の疎密波および前記第２の疎密波と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記音波伝搬部に入射させることなく、前記音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部とを備えている。
【００２１】
本発明のさらに他の光学式音響相関器は、光源と、透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に各疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に入射させることなく、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部とを備えている。
【００２２】
ある実施形態において、前記相関判定部は、前記干渉光の強度が所定の閾値以上の場合に、前記受信信号と前記参照信号とが相関していると判定する。
【００２３】
ある実施形態において、前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、Ｆ（ｘ，ｔ０）＝Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている。
【００２４】
ある実施形態において、前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標をｘとし、時間をｔとするとき、前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている。
【００２５】
ある実施形態において、前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている。
【００２６】
ある実施形態において、前記光学系は、前記光源から出射された光を前記第１の光束と前記第２の光束とに分けるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによって分けられた前記第１の光束および前記第２の光束の少なくとも一方を反射させるための反射鏡とを備えている。
【００２７】
ある実施形態において、前記光源は、単色光を出射し、前記相関判定部は、前記反射鏡を振動させることによって前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方が前記受光部に到達するまでの光路長を変動させ、前記電気信号が予め定められた閾値を超えたか否かを判定することにより、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。
【００２８】
ある実施形態において、前記相関判定部は、前記反射鏡を、前記単色光の波長の１／２以上の振幅で振動させる。
【００２９】
ある実施形態において、前記光源は、互いに偏波面が直交し、かつ、互いに異なる周波数を有する２つの光束を出射し、前記光学系は、前記２つの光束を各々の偏波面に基づいて前記第１の光束および前記第２の光束に分ける偏光ビームスプリッタと、前記第１の光束の偏波面および前記第２の光束の偏波面を一致させる偏光板とを有している。
【００３０】
ある実施形態において、前記第１の光束および前記第２の光束は、それぞれ前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。
【００３１】
ある実施形態において、前記第１の光束は、前記音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。
【００３２】
ある実施形態において、前記第１の光束は、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する。
【００３３】
ある実施形態において、前記光学系は、マイケルソン・モーレー型の干渉計の構成を有している。
【００３４】
ある実施形態において、前記光学系は、マッハツェンダー型の干渉計の構成を有している。
【００３５】
ある実施形態において、前記光学系は、フィゾー型の干渉計の構成を有している。
【００３６】
ある実施形態において、前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行である。
【００３７】
ある実施形態において、前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行かつ同じ向きである。
【００３８】
ある実施形態において、前記第１の光束および前記第２の光束は、干渉するまでの間、大気中を通過しない。
【発明の効果】
【００３９】
本発明の光学式音響相関器によれば、システム的にも物理的にも小型な受信機を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】相関器が利用される受信システムの例を示す図
【図１Ｂ】本発明による光学式音響相関器の一例を模式的に示す図
【図２】実施形態１における光学式音響相関器の概略装置構成を示す斜視図
【図３】光束の波面の乱れが干渉縞として出現することを説明するための模式図
【図４】実施形態１における光学式音響相関器の音波伝搬部の概略構成を示す上面図
【図５】拡散符号の適用により入力データ（２値信号）が符号拡散された送信信号に変換される様子を示した模式図
【図６】（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、及び（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子２１４から出力される様子を示した時間波形図
【図７】反射鏡を光束進行方向に対して平行に振動させる方法を示した概略装置構成図
【図８】音波伝搬部３ａ，３ｂの端部に設けられた疎密波生成部９１の詳細構造を示した断面図
【図９Ａ】実施形態１における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成を示す上面図
【図９Ｂ】実施形態１における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの更に可能な構成を示す上面図
【図１０】実施形態１における光学式音響相関器の可能な他の構成例を示した装置概略構成図
【図１１】光ヘテロダイン検波を行うための実施形態２における光学式音響相関器を示す装置概略構成図
【図１２】実施形態３の光学式音響相関器の概略装置構成を示した斜視図
【図１３】（ａ）は、実施形態３における光学式音響相関器の可能な他の構成例を示す装置概略構成図であり、（ｂ）は、実施形態３における光学式音響相関器の可能なさらに他の構成例を示す装置概略構成図
【図１４】実施形態１、２、３における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成を示す上面図
【図１５】実施形態１、２、３における光学式音響相関器の音波伝搬部３ａ，３ｂの更に可能な構成を示す上面図
【図１６】実施形態４における光学式音響相関器の装置構成を示す斜視図
【図１７】実施形態４における光束の波面の乱れが干渉縞として出現することを説明するための図
【図１８】実施形態４における音波伝搬部の概略構成を示す上面図
【図１９】受信機において拡散符号から参照信号が再生される様子を示す図
【図２０】（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図、（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子２１４から出力される様子を示した時間波形図
【図２１】音波伝搬部の端部に設けられた粗密波生成部の詳細構造を示す斜視図
【図２２】実施形態４における光学式音響相関器の他の構成例を示す図
【図２３】実施形態４における光学式音響相関器のさらに他の構成例を示す図
【図２４】実施形態５における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２５】実施形態６における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２６】実施形態７における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２７】（ａ）は実施形態７における光学式音響相関器の変形例を示す図、（ｂ）は実施形態７における光学式音響相関器の他の変形例を示す図
【図２８】実施形態８における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図２９】実施形態８における音波伝搬部の構成を示す図
【図３０Ａ】実施形態８における音波伝搬部の可能な構成例を示す図
【図３０Ｂ】実施形態８における音波伝搬部の可能な他の構成例を示す図
【図３１】実施形態８における光学式音響相関器の変形例を示す図
【図３２】実施形態８における光学式音響相関器の他の変形例を示す図
【図３３】実施形態９における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図３４】実施形態１０における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図３５】実施形態１１における光学式音響相関器の構成例を示す図
【図３６】（ａ）は、実施形態１１における光学式音響相関器の変形例を示す図であり、（ｂ）は、実施形態１１における光学式音響相関器の他の変形例を示す図
【図３７】特許文献１に記載された従来の光学式音響相関器の装置構成を示す概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の光学式音響相関器は、例えば携帯電話や超音波ロボット等の無線・超音波通信機器における受信システムの一部として利用され得る。本発明の光学式音響相関器の実施形態を説明する前に、まず光学式音響相関器を搭載する受信システムの概要を説明する。
【００４２】
図１Ａは、本発明における光学式音響相関器１（以下、「相関器」と呼ぶことがある。）を用いた受信システム３００の構成例を示す図である。図１Ａに示す受信システム３００は、アンテナ３０８、ダウンコンバータ３０１、オートゲインコントローラ３０２、相関器１、データ再生部３０３、同期制御部３０４、同期回路３０５、および逆拡散用符号列生成部３０６を備えている。なお、最適なシステム構成は、通信方式（ＯＦＤＭやＳＳ拡散等）によって変わる。
【００４３】
例えば、直接拡散方式のスペクトラム拡散方式においては、送信機器および受信機器は、拡散符号と呼ばれる共通する符号列を保持している。送信機器は、拡散符号を用いた演算により、送信データを広い周波数帯に拡散した拡散信号に変換してから送信する。受信機器は、送信機器から拡散信号を受信すると、自らが保持する拡散符号から逆拡散符号を生成し、逆拡散符号を用いた演算により送信データを復号する。
【００４４】
図１Ａに示すアンテナ３０８は、送信機から送出された拡散信号を受信し、ダウンコンバータ３０１に送出する。この例では、受信した信号（ＲＦ信号）の最初に、同期検出用の符号列（プリアンブル）が存在している。プリアンブルは、例えば、「１」が５チップ並んだ符号列で表される。なお、拡散されたデータのビットを「チップ」と呼び、プリアンブルおよび拡散されたデータ列のまとまりを「フレーム」と呼ぶ。
【００４５】
ダウンコンバータ３０１は、アンテナ３０８で受信された信号からキャリアを落としてデジタル信号（矩形波）を再生する。これは、無線通信機器における「フロントエンド回路」と同様の動作である。ダウンコンバータ３０１で再生されたデジタル信号は、オートゲインコントローラ３０２に入力される。オートゲインコントローラ３０２は、ダウンコンバータ３０１によって再生されたデジタル信号の振幅が常に等しくなるように、信号を可変増幅し、相関器１に送出する。オートゲインコントローラ３０２は、相関器１から出力される相関信号の出力を安定させるために必要な回路である。
【００４６】
相関器１は、オートゲインコントローラ３０２から与えられる信号（受信信号）と、後述する逆拡散用符号列生成部３０６から与えられる信号（参照信号）との間の相関を示す相関信号を生成し、データ再生部３０３および同期制御部３０４に送出する。この相関信号によって受信信号と参照信号とが整合しているか否かが判定される。
【００４７】
データ再生部３０３は、パルス状の相関信号を通常のデジタル信号（矩形波）に戻し、再生データとして外部に出力する。同期制御部３０４は、相関器から出力された相関信号に基づき、同期回路３０５および逆拡散用符号列生成部３０６の動作を制御する。同期回路３０５は、同期制御部３０４からの指示に基づいて、逆拡散用符号列生成部３０６に送出するトリガ信号のタイミングを調整し、受信信号と参照信号との同期を図る。逆拡散用符号列生成部３０６は、同期制御部３０４からの指示に基づいて、拡散符号列を生成し、これを参照信号として相関器１に送出する。
【００４８】
以下、受信信号と参照信号との同期の取り方の例を説明する。なお、同期の取り方は、通信方式に依存する。まず、同期制御部３０４が、オートゲインコントローラ３０１に規定値を超える入力があること、すなわち、通信成立に十分な強度の信号がアンテナ３０８より入力された事を確認すると、逆拡散用符号列生成部３０６は、全てのチップが"１"の逆拡散用符号列を発生する。続いて、同期制御部３０４は、相関信号の振幅値が所定の閾値を越えるまで、同期回路３０５のトリガ信号のタイミングを微調整する。これにより、チップ単位での同期が成立する。同期制御部３０４は、データ再生部３０３から与えられる再生データの中から、プリアンブル列を認識し、同期回路３０５が出力するトリガ信号のタイミングを調整する。これにより、フレーム（プリアンブルおよび拡散されたデータ列）単位での同期が成立する。最後に、逆拡散用符号列生成部３０６は、本来の逆拡散符号を生成することにより、正しい再生データが出力される。
【００４９】
受信システム３００は、以上のような処理によって受信した信号からデータを再生することができる。本発明による相関器１は、受信信号および参照信号の各々を音響媒質を伝搬する音響疎密波に変換し、それらを通過する光束の干渉光を観測することにより、両信号の相関を求める。
【００５０】
以下、本発明による光学式音響相関器１の概要を説明する。
【００５１】
図１Ｂは、本発明による光学式音響相関器１の概略構成の一例を示す図である。図１Ｂに示す例では、光学式音響相関器１は、光源４０と、予め定められた参照信号３２および外部から受け取った受信信号３１に応じた疎密波をそれぞれ伝搬させる２つの音波伝搬部３ａ、３ｂと、光学系２００と、受光部（受光素子）１０と、参照信号３２および受信信号３１の相関を判定する相関判定部３９とを備えている。
【００５２】
音波伝搬部３ａ、３ｂは、透光性の音響媒質からなる音波伝搬媒質部を有している。音波伝搬部３ａ、３ｂには、参照信号３２および受信信号３１がそれぞれ入力され、各信号に応じた疎密波が各々の音波伝搬媒質部に生成される。例えば、音波伝搬部３ａ、３ｂには、端部に圧電振動子などの疎密波生成部が設けられており、入力された信号に応じた平面波が音波伝搬媒質部に生成される。これにより、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に、各信号に応じた屈折率分布が生じる。これらの疎密波の伝搬方向と交差する方向に光束が入射し、音波伝搬部３ａ、３ｂを透過すると、それらの屈折率分布を反映して波面形状が変化することになる。
【００５３】
光学系２００は、ビームスプリッタ８と、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂとを有している。ビームスプリッタ８は、光源４０から出射された光を第１の光束１００ａと第２の光束１００ｂとに分離し、第１の光束１００ａを第１の音波伝搬部３ａに入射させ、第２の光束１００ｂを第２の音波伝搬部３ｂに入射させる。反射鏡１１ａは、音波伝搬部３ａの背部に配置され、音波伝搬部３ａを透過した光を反射する。同様に、反射鏡１１ｂは、音波伝搬部３ｂの背部に配置され、音波伝搬部３ｂを透過した光を反射する。反射鏡１１ａ、１１ｂによって反射された２つの光束は、再びビームスプリッタ８に到達し、そこで再び透過光と反射光とに分離される。音波伝搬部３ａを２度透過した第１の光束１００ａのうち、ビームスプリッタ８で反射された光束は、受光部１０に入射する。同様に、音波伝搬部３ｂを２度透過した第２の光束１００ｂのうち、ビームスプリッタ８を透過する光束も、受光部１０に入射する。なお、光学系２００は、他にも集光レンズや拡大レンズ等を含み得るが、図１Ｂではそれらを省略している。
【００５４】
以上の構成により、音波伝搬部３ａを透過した第１の光束１００ａと、音波伝搬部３ｂを透過した第２の光束１００ｂとの間には、各音波伝搬部に生成された疎密波に起因する波面形状の差異が生じる。受光部１０は、波面形状の異なるこれらの２つの光束の干渉光を受け、この干渉光の強度に応じた電気信号１４を出力する。相関判定部３９は、受光部１０から出力された電気信号１４を観測することにより、受信信号３１と参照信号３２とが相関しているか否かを判定することができる。相関の判定には、様々な方法が適用できる。具体的な判定方法については、後述する。
【００５５】
なお、光学系２００の構成は、図１Ｂに示す例に限らず、後述するように多様な構成が可能である。本発明における光学系２００は、光源４０から出射された光を２つの光束に分け、各光束の少なくとも１つをいずれかの音波伝搬部に入射させ、それらの光束の干渉光を受光部１０に入射させるように構成されていればよい。また、上記の例では、光学式音響相関器１は、２つの音波伝搬部３ａ、３ｂを備えているが、音波伝搬部は１つでもよい。例えば、後述する実施形態４に示すように、１つの音波伝搬部に両側から対向する向きに参照信号および受信信号に応じた２つの疎密波を伝搬させてもよい。
【００５６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、同様の構成要素には同一の参照符号を付している。
【００５７】
（実施形態１）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図２に、本実施形態における光学式音響相関器の斜視図を示す。図２に示すように、本実施形態における光学式音響相関器１は、波面干渉計２と、受信信号３１および相関信号３２がそれぞれ入力される音波伝搬部３ａ、３ｂと、波面干渉計２の出力信号から上記２信号の相関を観測するためのコントラスト観測部３９とを備えている。以下の説明では、図２に示すｘｙ座標系を用いる。
【００５８】
まず、図２を参照しながら、波面干渉計２の構成と動作とを説明する。波面干渉計２は、単色光光源４、拡大光学系６、アパーチャ７、ビームスプリッタ８、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂ、集光光学系９、および受光素子１０を備えている。本実施形態における波面干渉計は、マイケルソン・モーレー干渉計に分類される構成を有している。波面干渉計２におけるビームスプリッタ８と２つの反射鏡１１ａ、１１ｂとの間には、それぞれ音波伝搬部３ａ、３ｂが配置されている。本実施形態では、波面干渉計２における拡大光学系６、アパーチャ７、ビームスプリッタ８、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂ、集光光学系９が本発明における光学系の機能を有する。
【００５９】
図２に示すように、単色光光源４は、レーザ光に代表される干渉性の高い単色光５を生成し、単色光５を拡大光学系６に発射する。拡大光学系６は、拡大光学系６を通過する単色光５の平面波面の断面積を拡大する。拡大光学系６を通過した単色光５は、矩形開口を有するアパーチャ７へと伝搬する。アパーチャ７は、アパーチャ７を通過する光束を、所望の光束断面形状を有するよう、ビーム形状に整形する。ここで、所望の光束断面形状とは、アパーチャ７の矩形開口の形状に対応する形状である。なお、アパーチャ７の矩形開口の大きさを単色光５の波長に比べて十分大きくすることにより、光束断面形状の整形による単色光５の波面の乱れを無視することができる。アパーチャ７を通過した後の単色光５は、ビームスプリッタ８へと伝搬する。
【００６０】
ビームスプリッタ８は、アパーチャ７を通過した後の単色光５の経路を、ｙ軸の正方向に反射されるＡ経路１２、およびｘ軸の正方向にビームスプリッタ８を透過してゆくＢ経路１３の２つの経路に分解する。
【００６１】
Ａ経路１２を伝搬する光束は、音波伝搬部３ｂに入射する。音波伝搬部３ｂは、単色光５に対して十分透明かつ散乱の少ない媒体で構成されており、柱状の形状を有している。音波伝搬部３ｂには、受信信号３１が入力され、ｘ軸の負方向に受信信号３１に応じた粗密波が伝搬している。Ａ経路１２を進行する光束は、音波伝搬部３ｂを通過し、反射鏡１１ｂで反射され、再度音波伝搬部３ｂを通過した後、再びビームスプリッタ８に到来する。そして、ビームスプリッタ８において、単色光光源４に向かって反射される経路（反射光）と、集光光学系９に向かって透過する経路（透過光）とに分解される。
【００６２】
単色光光源４がレーザ光源である場合、前者の光（反射光）が光源内の単色光と干渉するため、何も対策をしなければ単色光光源４の動作が不安定になることがある。その場合は、戻り光対策（例えば、光アイソレータの挿入）がなされたレーザ光源を単色光光源４とすることによって、この問題は解決される。
【００６３】
一方、単色光光源４がＬＥＤ（発光ダイオード）やＳＬＤ（スーパー・ルミネッセンス・レーザ・ダイオード）のような広帯域光源をフィルタ等で狭帯域化したものである場合は、このような戻り光による不安定動作は生じない。
【００６４】
また、後者の光（透過光）は、集光光学系９により受光素子１０に導入され、その積分強度が電気信号１４として出力される。
【００６５】
Ａ経路１２を経由し、受光素子１０に捉えられる光束の波面は、音波伝搬部３ｂの通過後、受信信号３１に応じた波面形状の乱れを生じる。後に詳述するように、受信信号３１の音波伝搬部３ｂへの入力形態は疎密進行波である。すなわち、受信信号３１が電気信号である場合は、圧電振動体などの電気機械振動変換手段により、音波伝搬部３ｂをｘ軸負方向に伝搬する疎密進行波が形成される。
【００６６】
従って、ある瞬間では音波伝搬部３ｂの構成媒体中に密度分布が形成されている。密度分布は屈折率分布として通過光束に感受される。高屈折率領域を通過する光線は、低屈折率領域を通過する光束に比べ遅れる。そのため、音波伝搬部３ｂを通過する前に概ね平面であった波面は、通過後、受信信号３１を反映した屈折率分布の影響により、乱れることとなる。
【００６７】
次に、Ｂ経路１３を進行する光速について説明する。Ｂ経路１３を進行する光速は、音波伝搬部３ａに入射する。音波伝搬部３ａは、音波伝搬部３ｂと同じ材料で構成されている。音波伝搬部３ａには、参照信号３２が入力され、ｙ軸の正方向に参照信号３２に応じた粗密波が伝搬している。Ｂ経路１３を進行する光束は、音波伝搬部３ａを通過し、反射鏡１１ａで反射され、再度音波伝搬部３ａを通過した後、再びビームスプリッタ８に到来する。ここで、反射鏡１１ａは、後述するように、コントラスト観測部３９の制御により、単色光５の波長をλとして、ｘ方向におおよそ振幅λ／４で振動するように構成されている。
【００６８】
再びビームスプリッタ８に到来した光束は、ビームスプリッタ８を透過して単色光光源４に向かう光束と、反射されて集光光学系９に向かう光束とに分解される。Ｂ経路１３を経由し受光素子１０で捉えられる光束の波面には、音波伝搬部３ａに入力される参照信号３２に応じた波面形状の乱れが生じる。
【００６９】
Ａ経路を経由した光束およびＢ経路を経由した光束は、集光光学系９により受光素子１０に導入され、その積分強度が電気信号１４として出力される。
【００７０】
上記構成において、各構成要素は、受信信号３１および参照信号３２が入力されていない状態で、Ａ経路１２を経由して受光素子１０に向かう光束とＢ経路１３を経由して受光素子１０に向かう光束とが、十分に干渉するように配置される。さらに、集光光学系９の入射側開口面の直前で、干渉光束の光束断面における光強度分布が十分均一（すなわち、ゼロフリンジ状態）になるように、各構成要素の面精度の確保と十分な光軸調整とが行われる。
【００７１】
図３は、音波伝播部３ａを通過した光束３４ａおよび音波伝播部３ｂを通過した光束３４ｂの波面の乱れが干渉縞４００として出現することを説明するための模式図である。図３（ａ）は、音波伝搬部３ａ、３ｂをそれぞれ通過した光束３４ａ、３４ｂの波面に乱れがある場合の例を示し、図３（ｂ）は、それらの光束の波面に乱れがない場合の例を示している。なお、図３に示す光束３４ａ、３４ｂの波面は、集光光学系９の入射側開口面近傍におけるものであり、座標軸は図２に記したものに準拠している。ここで、ある時刻ｔ０における光束３４ａ、３４ｂの波面を表す関数を、それぞれＲ（ｘ、ｔ０）、Ｆ（ｘ，ｔ０）と表している。
【００７２】
図３に示すように、両音響信号（入力信号３１および参照信号３２）入力時において、両音響信号に差異がある場合、音波伝搬部３ａ、３ｂを通過する各々の光束３４ａ、３４ｂの波面形状に差異が現れる。その差異は、集光光学系９の入射側開口面直前位置での光束断面において干渉縞４００として現れる。
【００７３】
具体的には、図３（ｂ）に示すように、波面形状に差異がない場合は、たとえ両光束の波面形状が平面に比べて変位していたとしても、集光光学系９の入射側開口面上ではゼロフリンジとなる。これは、集光光学系９の入射側開口面上の同一点を通過する両光束の光線が常に同相であるからである。逆に、図３（ａ）に示すように、両波面形状に差異がある場合には、同開口面上の同一点を通過する両光束の光線間の位相の均一性が崩れるため、多数の干渉縞が同開口面上で観測されることになる。
【００７４】
受光素子９は、干渉光（波面の乱れを有する光）の積分強度を捉えるため、干渉縞がまったくない場合に、最も高いコントラスト（＝信号振幅値／信号の時間平均値）を持った電気信号１４が受光素子１０から出力される。一方、両光束の波面形状の差異が顕著になればなるほど複雑な干渉縞が生成されるので、電気信号１４のコントラストは低下する。
【００７５】
以上のことから、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストを観測することによって、音波伝搬部３ａ，３ｂを通った光束の波面形状の相違を判断することができる。更には、この波面形状の相違を介して、受信信号３１の波形と参照信号３２の波形との相違を判断することができる。
【００７６】
本実施形態の光学式音響相関器１は、電気信号１４のコントラストを観測するために、単色光５の波長をλとして、反射鏡１１ａをｘ方向におおよそ振幅λ／４で振動させる機構（コントラスト観測部３９）を有している。これにより、受光素子１０から出力される電気信号１４は、後述するように、受信信号３１と相関信号３２とが相関している場合に大きく変動し、相関していない場合にはほとんど変動しない。このため、電気信号１４のコントラストの変動が所定の閾値を超えているか否かを観測すれば、受信信号３１と相関信号３２とが相関しているか否かを判定できる。なお、反射鏡１１ａをｘ方向に振動させる代わりに、反射鏡１１ｂをｙ方向に振動させても同様の効果を得ることができる。反射鏡１１ａ（または反射鏡１１ｂ）を振動させる機構の詳細は後述する。
【００７７】
以上が、本実施形態における光学式音響相関器１の波面干渉計２の基本的動作である。なお、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストの具体的な測定方法、および必要とされる装置構成の詳細については後述する。
【００７８】
次に、再び図２を参照して、干渉縞を介した波面形状の比較を高精度に行なうための、各構成要素の光学調整法を説明する。干渉縞を介した波面形状の比較を高精度に行なうためには、ビームスプリッタ８の４つの入・出射面、および音波伝搬部３ａ、３ｂの各２ヶ所の入・出射面に反射防止膜を施すことが好ましい。これは、各光学面で生成される多重反射光線が上記干渉縞に重畳し干渉することを防ぐためである。また、多重反射光線の強度を低減するために、各々の光学面がそこを通過する光束の波面に対して平行にならないよう所望の角度をつけることが好ましい。このようにして、多重反射光線の強度を下げ、かつ観測したい光束と多重反射光線の干渉性を減じることにより、良好な干渉縞を生成することができる。結果として、高精度な波面形状の比較計測が可能となる。
【００７９】
次に、本実施形態における光学式音響相関器１の音波伝搬部３ａ，３ｂの構成と動作について説明する。図４は、本実施形態における音波伝搬部３ａの上面図を示している。
【００８０】
音波伝搬部３ａと音波伝搬部３ｂとは、同一の装置構成を有するため、音波伝搬部３ａのみを、以下説明する。図４は、図２に示す音波伝搬部３ａの拡大図に相当する。分かりやすさのため、両図の方位関係を一致させている。
【００８１】
図４に示すように、音波伝搬部３ａは、音響媒質３３と、その端面に設けられた疎密波生成部９１と、音響媒質３３の粗密波生成部９１が設けられた端面と対向する面に配置された吸音材９２とを有している。平面状の波面３６を有する光束３４は、音響媒質３３を通過することにより、波面形状が波面３７のように変化する。音響媒質３３は、例えば矩形断面を有する柱状の容器に封入されている。
【００８２】
ここで、参照信号３２は、時間波形ｒ（ｔ）を有する電気信号であるとする。一方、受信信号３１は、時間波形ｆ（ｔ）を有する電気信号であるとする。参照信号３２は疎密波生成部９１を経由して音響媒質３３へ入力される。図２を参照しながら説明したように、参照信号３２は、音響媒質３３の長手方向であるｙ軸正方向に伝搬する疎密波として音響媒質３３へ入力される。この粗密波が概ね平面波となるように、音響媒質３３の断面形状および疎密波生成部９１の構造が設計されている。
【００８３】
音響媒質３３は、単色光５に対して十分均一な光学媒質として機能する。十分均一な光学媒質とは、透過による強度減衰や散乱が少ない光学媒質を指す。例えば、光学ガラスなどの光学媒質や、気体及び液体などの固体でない媒質も適用可能である。
【００８４】
疎密波生成部９１によって生成された疎密波は、音響媒質３３を伝搬後に吸音材９２で反射されることなく吸収される。この結果、相関演算精度の劣化の要因となる音響媒質３３中の残響が生じないようになっている。
【００８５】
以下で述べるように、疎密波振幅の時間変動は近似的に矩形あるいは近似的にパルス状である。時間的に局在した信号は周波数領域において広い周波成分を持っているため、吸音材９２としては、疎密波の吸収減衰率の周波数特性が平坦な（周波数依存性が小さい）素材・構造が採用されることが好ましい。
【００８６】
本実施形態の光学式音響相関器１において、受信信号３１と参照信号３２との間の信号相関処理が正確に行われるためには、粗密波の音響媒質３３中における分散特性（粗密波の伝搬速度の周波数依存性）が少ない（平坦である）ことが必要である。音響媒質３３が急峻な分散特性（つまり狭帯域特性）を有する場合、受信信号３１及び参照信号３２の波形が、音響媒質３３中で崩れるため、受信信号３１と参照信号３２の正確な波形相関が観測できなくなるからである。
【００８７】
音響媒質３３中を伝搬する粗密波の伝搬速度と、それを囲む外界３５における粗密波の伝搬速度との間に、速度差が十分ある場合において、分散特性が少ないこと（緩やかな分散特性）を実現するためには、例えば以下のようにすればよい。すなわち、音響媒質３３の矩形断面の短辺の長さが、受信信号３１と参照信号３２とに含まれる最低周波数に対応する音響媒質３３中の粗密波の波長以上となるように構成されていることが望ましい。その場合、音響媒質３３中を伝搬する最低周波数以上の周波数を有する疎密波は、概ね自由空間を進行するものとみなせる。このとき、疎密波は、周波数に依らず音響媒質３３を構成する材料の物性値により決まる伝搬速度を有する。この結果、広帯域な導波が可能となり、導波による受信信号３１と参照信号３２の波形の崩れを抑圧することができる。
【００８８】
図４では、音響媒質３３の表面は直接外界３５に接しているように記載しているが、両者は、光学的に透明かつそれを通過する光束３４の波面を乱さない良好な光学特性を有する媒体を介して接するように構成されていても良い。例えば、音響媒質としてガス状の気体、液体などを適用する場合は、上記のような特性を有する媒体を用いることが望ましい。
【００８９】
一方、音響媒質３３が固体であり、外界３５中を伝搬する粗密波の音速と、音響媒質３３中を伝搬する粗密波の音速が概ね等しい場合、音響媒質３３から外界３５へ粗密波が浸潤しないように、音響媒質３３と外界３５との間に粗密波の音速が大きく異なる媒質を配置することが必要となる。以下、このような媒質を「隔離構造」と呼ぶ。隔離構造がない場合、粗密波生成部９１で生成された平面波が外界３５へ浸潤することによって減衰するとともに、波面の乱れが生じる。そのため、音響媒質３３において、十分均一な音場が実現されない。
【００９０】
以上のように、不定形の音響媒質３３の容器としての目的としてだけでなく、音響媒質３３を粗密波の減衰の少ない直線状の「導波路」として動作させる目的としても、外界３５から音響媒質３３を遮蔽することが好ましい。
【００９１】
なお、電気信号である受信信号３１と参照信号３２とを音響媒質３３に入力する疎密波生成部９１の構造および動作については、後述する。
【００９２】
次に、再び図２を参照しながら、音波伝搬部３ａ、３ｂおよび受光素子１０による受信信号３１と参照信号３２の相関処理の原理について詳しく説明する。
【００９３】
音波伝搬部３ａ，３ｂ中の音響媒質３３を伝搬する疎密波は、受信信号３１と参照信号３２の振幅・位相に応じた圧縮応力分布を各々の音響媒質３３中に生成する。圧縮応力分布が生成されていることは、音響媒質３３の構成物質中に密度分布が生成されていることと等価である。よって、透過する光線にとって圧縮応力分布は、屈折率分布変動による位相変化として感受される。このことは、例えば、屈折率ｎの等方的光学媒質中に存在する光路長Ｌを有する任意の光路を進む単色光光線と比較して、屈折率がｎ＋Δｎの等方的光学媒質中にある同一光路を辿る単色光光線は、ｋΔｎＬ（ｋ＝２π／λ，λは光線の波長）だけ位相が遅れることより理解できる。
【００９４】
以上の概念を基礎として、音波伝搬部３ａ，３ｂと受光素子１０は、受信信号３１と参照信号３２の相関処理を行なう。このことを具体的に説明するため、以下の説明では、時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１による疎密進行波と、時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２による疎密進行波とが、ある時刻ｔ０において各々の音響媒質３３上に形成する屈折率分布の変化量を、それぞれＦ（ｘ，ｔ０）、Ｒ（ｘ，ｔ０）とする。なお、屈折率分布の変化量とは、疎密波が存在する場合の屈折率分布から疎密波が存在しない時の屈折率分布（定数）を減じたものであり、すなわち、上記の説明におけるΔｎに相当する。
【００９５】
時刻ｔ０において、集光光学系９の入射側開口面上の位置ｘ１を通過する光線３８は、音波伝搬部３ａを通過し屈折率分布変化量Ｒ（ｘ１，ｔ０）に応じて位相変化を受けた光線（振幅Ａｒ）と、音波伝搬部３ｂを通過し屈折率分布変化量Ｆ（ｘ１，ｔ０）に応じて位相変化を受けた光線（振幅Ａｆ）の、２光線の重畳により生成された干渉光である。従って、光線３８の光強度は、両者の和の絶対値の２乗Ａｒ＾２＋Ａｆ＾２＋２・Ａｒ・Ａｆ・ｃｏｓ（ｋ｛２ｄ［Ｆ（ｘ１，ｔ０）−Ｒ（ｘ１，ｔ０）］＋ｎＬ｝）に比例する。ここで、図４に示すように、音波伝播部３ａ（および音波伝搬部３ｂ）の各々の音響媒質３３の光線進行方向に沿った厚さをｄ、図２におけるＡ経路１２とＢ経路１３との光路長差をＬ、音響媒質３３の平均屈折率をｎ、波数をｋ＝２π／λ（λは単色光５の波長）と表している。このように、光強度は位置ｘの関数であるため、集光光学系９の入射側開口面上には一般に、図３（ａ）に示すような不均一な干渉縞４００が生成される。
【００９６】
受光素子１０から出力される電気信号１４は光束３４の積分強度に比例するので、上記の状況設定下では、Ｓを光束３４の断面積として、電気信号１４は、Ａｒ＾２＋Ａｆ＾２＋２・Ａｒ・Ａｆ・∫ｃｏｓ（ｋ｛２ｄ［Ｆ（ｘ，ｔ０）−Ｒ（ｘ，ｔ０）］＋ｎＬ｝）ｄｘ／Ｓに比例する。次に、屈折率分布について、以下の式１が成立している状況を想定する。
【数１】
2011111398.tif 000048
【００９７】
このとき、上述の電気信号１４の出力信号の表現から分かるように、時刻ｔ０の瞬間では、たとえ各屈折率分布変化量Ｒ（ｘ，ｔ０）、Ｆ（ｘ，ｔ０）がｘ軸方向について変動していたとしても、図３（ｂ）に示すように、干渉後の集光光学系９の入射側開口面上における光束３４の断面には光強度分布が一切存在しない。このときの電気信号１４は、（Ａｒ）＾２＋（Ａｆ）＾２＋２・Ａｒ・Ａｆ・ｃｏｓ（ｋｎＬ）に比例する。そこで、以下で詳述するコントラスト観測部３９により、光路長差Ｌを｜ｋｎＬ｜＞２πとなるように変動させる。これにより、電気信号１４の強度は（Ａｒ−Ａｆ）＾２から（Ａｒ＋Ａｆ）＾２まで変動する。なお、電気信号１４の強度を（Ａｒ−Ａｆ）＾２から（Ａｒ＋Ａｆ）＾２まで変動させるためには、光路長差Ｌを｜ｋｎＬ｜≦πの範囲で変動させればよいが、本実施形態では、光学素子のアライメント誤差を考慮し、その２倍の振れ幅でＬを変動させるものとする。
【００９８】
電気信号１４の振幅の直流成分に対する比をコントラストと呼ぶ。Ａｒ＝Ａｆとすると、式１の成立下（図３（ｂ）の状況）においてコントラストＣ（ｍａｘ）は、以下の式２で表される。
【数２】
2011111398.tif 000049
【００９９】
ところが、式１が成立しない一般の状況である図２（ａ）に示す状況においては、Ｆ（ｘ，ｔ０）≠Ｒ（ｘ，ｔ０）となるため、以下の式３が成立する。
【数３】
2011111398.tif 000050
【０１００】
式３が成立することは、上式においてＬ＝０の場合を想定すると容易に理解できる。従って、光路長差Ｌを変化させた時の∫ｃｏｓ（ｋ｛２ｄ［Ｆ（ｘ，ｔ０）−Ｒ（ｘ，ｔ０）］＋ｎＬ｝）ｄｘ／Ｓの最大値をΔとすると、Δ＜１である。この場合の電気信号１４のコントラストＣは、以下の式４で表される。
【数４】
2011111398.tif 000051
【０１０１】
このことより、式１が成立する場合において電気信号１４のコントラストは最大となる。逆に、任意の時刻ｔにおいてＦ（ｘ，ｔ）とＲ（ｘ，ｔ）との相違が顕著になればなるほど、電気信号１４のコントラストは低下してゆく。
【０１０２】
以上のように、受光素子１４から出力される電気信号のコントラストの大小をコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１の波形と参照信号３２の波形との相違を判定することができる。以上が、音波伝搬部３ａ，３ｂと受光素子１０による、受信信号３１と参照信号３２の相関処理の原理である。
【０１０３】
以上、本実施形態における光学式音響相関器１の波面干渉計２と音波伝搬部３ａ，３ｂの各々の概略構成と動作について説明した。以下では、例として、上述のように構成された本装置が、符号拡散された音波を用いた通信システムの受信機側に設けられる逆拡散用の相関器として機能することを説明する。
【０１０４】
自由空間を伝搬する音響信号を用いた通信システムにおいても、電波による無線通信システムと同様に、高通信品質と高データ伝送速度の両立を図るため、送信信号として符号拡散された２値信号を用いることがある。
【０１０５】
図５は、拡散符号の適用により、入力データ（２値信号）４１が符号拡散された送信信号４３に変換される様子を示す模式図である。図５に示すように、符号拡散された信号４３は、２値性の入力データ４１（時間波形Ｄ（ｔ））に、入力データ４１の１ビット長と同一の時間長τを持つ２値性の拡散符号４２（時間波形Ｍ（ｔ））を乗ずることによって生成される。すなわち、符号拡散された信号４３は、時間波形Ｄ（ｔ）×Ｍ（ｔ）を有する。この例では、図５（ｂ）に示す拡散符号４２が参照信号３２に相当し、図５（ｃ）に示す符号拡散された信号４３が受信信号３１に相当する。
【０１０６】
なお、拡散符号４２の符号系列の種類にもよるが、通常はＭ系列に代表されるように、同一チップ長τ／ｎからなる２値性のｎビット符号が拡散符号４２として用いられる。従って、図５に示すように、符号拡散された信号４３において、「１」に相当するデータ４１は拡散符号４２と同一の時間波形として表現され、また、データ４１の「０」は振幅値を反転させた拡散符号４２として表現される。
【０１０７】
以上のようにして、送信機で生成された符号拡散された信号４３は、音響信号として自由空間中に送波され、受信機で受波される。その受波信号から拡散前のデータを再生するためには、「逆拡散」と呼ばれる復調処理が必要となる。この逆拡散が、本実施形態における光学式音響相関器１によりなされることを以下に説明する。
【０１０８】
逆拡散処理を行なうために、受信機において、まず以下の２つの信号処理（Ａ），（Ｂ）が実行される。
（Ａ）受信信号３１と参照信号３２のタイミング調整処理
（Ｂ）受信信号３１と参照信号３２の振幅調整処理
【０１０９】
まず、信号処理（Ａ）について説明する。受信機は、送信機側で用いられた拡散符号４２と同一の符号を生成する手段を内蔵している。信号処理（Ａ）は、受信機内で参照信号３２の生成タイミングを受信信号３１の符号の開始タイミングに合うように調整する処理である。具体的には、図３に示す音波伝搬部３ａの疎密波生成部９１側の端面に参照信号３２の符号の開始を示す信号（図５において参照信号開始４５と表示）が入力されると、同時刻に、受信信号３１の符合の開始を示す信号（図５において受信信号開始４４と表示）が、もう一方の音波伝搬部３ｂの疎密波生成部９１側の端面に丁度入力されるように、受信機内で参照信号３２の生成タイミングが調整される。このようなタイミング調整は、例えば、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式に代表される無線通信システムで用いられる多種多様な信号同期方法（例えば、同期調整用の信号の送受信）を適用することによって実現される。
【０１１０】
次に、信号処理（Ｂ）について説明する。受信信号３１および参照信号３２は２値性の信号であるが、音響媒質３３へ入力される時点において、一般に両信号が同一振幅値を持つ保証はない。そこで、信号処理（Ｂ）により、両信号が同一の振幅値を有するよう受信信号３１の振幅がフィードバック補償される。自由空間を伝搬してきた音波は微弱であるので、雑音による感度の劣化を最小にするために受波後直ちに増幅することが望ましい。増幅後の受信信号の信号強度を一定値に保つ方法としては、電波を用いた通信機器において広く適用されている「自動利得調整（Ａｕｔｏ  ｇａｉｎ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）回路」を用いる方法がある。この方法は、電波を用いた通信システムのみならず、例えば、音響信号を用いた通信システムにおいても適用できる。
【０１１１】
ここで、信号処理（Ａ）及び（Ｂ）が終了したとする。本実施形態では、データ４１の１ビットの伝送時間τの間に、丁度１ビット分の符号拡散された信号４３が疎密進行波として伝搬するように、音響媒質３３のｙ軸方向の長さは調整されている。すなわち、音響媒質３３の長さは、疎密進行波の伝搬速度にτを乗じたものに等しい。
【０１１２】
図６（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図６（ａ）に示すように、ある時刻ｔ１において、符号拡散された信号４３中の「１」に相当する符号列が音波伝搬部３ｂの音響媒質３３全体に伝搬したとすると、それに応じて音響媒質３３内で受信信号３１による屈折率分布６１が生成される。
【０１１３】
一方、同時刻において参照信号３２は、受信信号３１と同一の屈折率分布（図６の参照信号３２による屈折率分布６２）を音波伝搬部３ａの音響媒質３３中に生成する。従って、式１の条件が満足されるため、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストは最大となる。また、上の説明より類推されるように時刻ｔ１の前後においては式１が満足されないために、コントラストは低くなる。従って、コントラストの時間変動は時刻ｔ１においてパルス的（パルス幅はτ／（２ｎ））に最大値を与え、その前後においては両信号の相関が悪化するため、ノイズ状の不規則な時間変動となる。
【０１１４】
一方、図６（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図６（ｂ）に示すように、符号拡散された信号４３（受信信号３１）の中で「０」に相当する符号列が音波伝搬部３ｂの音響媒質３３全体に伝搬したとすると、式１が満足されないため、やはりコントラストの増強は生じない。以上の方法により、本実施形態における光学式音響相関器１による受信信号３２の逆拡散処理が実行される。
【０１１５】
図６（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子１０から出力された信号１４の時間波形の例を示す図である。逆拡散処理により、受信信号３１は、ビット長τを持つパルス信号として、受光素子１０からの出力信号１４に現れる。受光素子１０からの出力信号１４において、受信信号３１に拡散されたデータは、パルス状の波形としてビットの最後に出現する。送波時の“１”は、復調信号中で“パルス有”として、送波時の“０”は復調信号中で“パルス無し”として現れる。実際のデータ再生は、適当な閾値を設定し、受光素子１０からの出力信号１４におけるパルス状波形の有無を判定することによりなされる。
【０１１６】
次に、本実施形態における光学式音響相関器１の各部の具体的構成について述べる。まず、光学式音響相関器１の大まかなサイズについて述べる。拡散符号４２としてチップ長１０μｓｅｃ（中心周波数１００ｋＨｚの超音波の１波長を１チップとして用いることを想定）の３次Ｍ系列を適用した場合（従って最大１００ｋＨｚの超音波信号を含む）、ビット長は（２＾３−１）×１０μｓｅｃ＝０．０７ｍｓｅｃとなる。従って、音響媒質３３として疎密進行波の音速が５０ｍ／ｓの物質（例えば、シリカナノ多孔体）を適用すれば、逆拡散に必要とされる音響媒質３３の全長は３．５ｍｍとなる。従って、単色光光源４を除く光学式音響相関器１全体の大きさは高々数センチメートルとなる。したがって、本実施形態による光学式音響相関器１を用いた通信機器は、従来技術と比較して、大幅に小型化できる。
【０１１７】
次に、受光素子１０から出力される電気信号１４のコントラストを観測する手法、およびその具体的観測手段（コントラスト観測部３９）について説明する。図７は、反射鏡１１ａ（あるいは反射鏡１１ｂ）を光束進行方向に対して平行に振動させる装置構成の概略を示す図である。図７に示すように、本実施形態においては、反射鏡１１ａは、圧電振動体７２を間に介して固定台７１に固定される。圧電振動体７２は、コントラスト観測部３９から角周波数ωの正弦信号が印加された場合、同一角周波数で、単色光５の波長に換算して振幅１／４波長程度の厚み振動を行う。この厚み振動により、ビームスプリッタ８により分割された２光束が、Ａ経路１２とＢ経路１３を経由し最終的に干渉するまでに経るそれぞれの光路の光路長差の時間変動が実現できる。この光路長差は、角周波数ωで１波長程度変化するために、集光光学系９の入射開口面における干渉縞は、全体として角周波数ωで明滅する。従って、受光素子１０から出力される電気信号は、角周波数ωで時間的に変動する信号となる。コントラスト観測部３９は、その信号を広域通過フィルタで濾波することによりコントラストを測定することができる。
【０１１８】
次に、音波伝搬部３ａ、３ｂのそれぞれの音響媒質３３に、受信信号３１と参照信号３２を疎密進行波として入力するための、疎密波生成部９１の装置構成について説明する。図８は、音波伝搬部３ａ，３ｂの端部に設けられた疎密波生成部９１の詳細構造を示した断面図である。図８に示すように、音響媒質３３は板状圧電振動体９３を介して固定台９４に頑強に固定されている。板状圧電振動体９３は、特に強固に固定台９４に固定されており、板状圧電振動体９３に電気信号（受信信号３１あるいは参照信号３２）が入力された際に、板状圧電振動体９３は厚さ方向（図８向かって左右方向）にのみ伸縮運動をする。
【０１１９】
このように、受信信号３１と参照信号３２は、それぞれ各音波伝搬部３ａ，３ｂに敷設された板状圧電振動体９３に入力され、各信号に応じた疎密波を音響媒質３３中に発生させる。それらの信号波形が正しく音響媒質３３内の疎密進行波波形として再現されるためには、広い周波数帯にわたって、入力信号電圧と板状圧電振動体９３の伸縮量との線形性が確保されなければならない。そのため、板状圧電振動体９３の厚さは、板状圧電振動体９３に固有の最低共振周波数が、両信号に含まれる周波数成分の最高周波数の少なくとも数倍になるよう、設定されている。また、音響媒質３３中に励起された疎密波が正しく平面波となるため、音響媒質３３の端面を十分被覆するように板状圧電振動体９３の敷設領域が設定されている。
【０１２０】
以上、本実施形態における光学式音響相関器１の構成と動作について説明した。かかる構成によれば、参照信号３２と、参照信号３２に同期し、かつ参照信号３２と同一振幅値を持つように自動利得調整された受信信号３１とが疎密進行波として音波伝搬部３ａ，３ｂにそれぞれ入力される。その結果、音波伝搬部３ａ，３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に各々の信号に依存した屈折率分布が生成される。各屈折率分布は、２つの独立な光束の波面形状として捉えられる。両光束を波面干渉させることにより光束断面に干渉縞が発現する。受光素子１０においてその干渉縞の積分強度が電気信号１４に変換され、そのコントラストが観測される。これにより、小型受動素子として光学式音響相関器を実現することができる。
【０１２１】
なお、上記の説明において、図２では、音波伝搬部３ａには参照信号３２が入力され、音波伝搬部３ｂには受信信号３１が入力されるが、両者が逆転して入力されても同様に機能することは言うまでもない。すなわち、音波伝搬部３ａに受信信号３２を入力し、音波伝搬部３ｂに参照信号３１を入力しても本実施形態の効果に変わりはない。また、図２に示す構成では、音波伝搬部３ａには参照信号３１に基づく疎密進行波がｙ軸正方向に伝搬し、音波伝搬部３ｂには受信信号３１に基づく疎密進行波がｘ軸負方向に伝搬するが、これらの疎密進行波の伝搬方向は逆転していても同様に機能することも言うまでもない。以上のことから、本実施形態における音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成をまとめると、図９Ａに示す４種類が考えられる。
【０１２２】
音波伝搬部３ａ，３ｂの可能な構成としては、更に図９Ｂに示す４種類が考えられる。図９Ａに示す装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２による音響媒質３３中の疎密進行波の波形が一致した瞬間の前後τ／（４ｎ）に、局在したパルス状（全パルス幅はτ／（２ｎ））の相関信号が受光素子１０から出力される電気信号１４に出現することを、図６（ｃ）を参照して説明した。
【０１２３】
しかし、図９Ｂに示す装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２による音響媒質３３中の疎密進行波波形が一致した場合、受光素子１０から出力される電気信号１４中に出現するパルス状の相関信号の全パルス幅はτ／２となり、図９Ａの構成に比べ全パルス幅は、ｎ倍に拡大される。ｎは拡散符号４２のチップ数であるから、拡散符号４２を構成するチップ幅が短く、十分なパルス幅を持った相関信号が得られない場合には本構成は優位に作用する。
【０１２４】
なお、図２において、ビームスプリッタ８、音波伝搬部３ａ，３ｂ、反射鏡１１ａ，１１ｂの間は空気層が挿入されているように表されているが、図１０に示すように、これらの構成要素の全てを接触させて配置しても良い。
【０１２５】
空気層のゆらぎによる影響は、集光光学系９の入射側開口面上で干渉縞として出現し、受信信号３１および参照信号３２のみから生成される干渉縞に重畳する場合がある。このため、逆拡散（復調）された信号のノイズを低減するという観点において、これらの空気層を排除することは優位に作用する。もちろん、装置全体の小型化のためにも、本構成は優位に作用する。なお、図４の説明でも述べたように、構成要素の接触によって音響媒質３３中の疎密進行波の他の構成要素への浸潤が問題になる場合には、疎密波の伝搬速度が音響媒質３３における伝搬速度とは大きく異なる光学媒体で音響媒質３３を囲み、疎密進行波の浸潤を防止することが必要である。
【０１２６】
（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器は、単色光光源４および反射鏡の振動を用いる代わりに２周波ゼーマンレーザに代表される２周波直線偏波レーザ８０を用いて光ヘテロダイン検波を行う点が実施形態１の光学式音響相関器と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１２７】
図１１は、本実施形態における光学式音響相関器１０１の概略構成図である。図８に示すように、図２に示す光学式音響相関器１の装置構成における単色光光源４を２周波直線偏波レーザ８０に置き換えることに加え、新たに３つの光学素子が実施形態１の構成に加えて挿入される。なお、本実施形態では、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１ａまたは反射鏡１１ｂを振動させず、受光信号１４のコントラストの観測のみを行う。
【０１２８】
２周波直線偏波レーザ８０は、互いにわずかに周波数の異なる２つの直線偏波光を生成する。これらの２つの直線偏波光の角周波数差をωと表す。それらの偏波面は出射光線中において直交している。
【０１２９】
本実施形態では、図１１に示すように、図２におけるビームスプリッタ８の代わりに偏光ビームスプリッタ８１に変更するが配置される。なお、偏光ビームスプリッタ８１の偏光軸は上記の２つの直線偏波光のいずれかの偏波面に一致させておく。これにより、偏光ビームスプリッタ８１において、上記２つの直線偏波光のどちらか一方は反射されＡ経路１２を辿るが、他方は透過しＢ経路１３に沿って進行する。両経路１２，１３中にはそれぞれ、１／４波長板８３が挿入されている。各経路を進む光束は、それぞれ音波伝搬部３ａ、３ｂを透過し、反射鏡１１ａ，１１ｂで折り返され再び偏光ビームスプリッタ８１に到達するまでに１／４波長板８３を２回通過する。従って、各経路１２，１３を進む直線偏波光の偏波面は９０°回転する。
【０１３０】
従って、Ａ経路１２を経て偏光ビームスプリッタ８１に戻ってきた光束は偏光ビームスプリッタ８１を透過し、Ｂ経路１３を経て偏光ビームスプリッタ８１に戻ってきた光束は偏光ビームスプリッタ８１で反射される。このため、両光束は共に集光光学系９に向かう一本の光束に統合される。統合された光束はまだ互いに偏波面が直交しており互いに干渉することはない。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ８１の集光光学系９側に面した光学面に、統合された上記２つの光束の各偏波面に対して４５°の偏光軸を有する偏光板８２が挿入される。これにより、偏光板８２に入射する２つの光束は、偏光板８２を透過後に干渉する。そして、２つの光束は、偏光板８２を通過後の光束断面において干渉縞を生成する。両者は周波数差ωを有するので、干渉縞は強度分布を変えることなく全体として周波数ωで明滅する。
【０１３１】
従って、受光素子１０から出力される電気信号１４は周波数ωで変動する正弦波状信号となり、実施形態１で説明したような信号検波方法を適用することによりコントラストを測定することができる。このように、本実施形態では、２つの反射鏡１１ａ、１１ｂの一方を振動させることなく、電気信号１４のコントラストを測定することができる。このコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１および相関信号３２の相関を検出することができる。なお、図１１では偏光板８２を偏光ビームスプリッタ８１と集光光学系９との間に配置しているが、集光光学系９の光学特性に偏波依存性がない場合は偏光板８２を集光光学系９と受光素子１０との間に挿入してもよいことは言うまでもない。
【０１３２】
（実施形態３）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態による光学式音響相関器１３１は、波面干渉計２における光学系の配置が実施形態１の光学式音響相関器１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１３３】
図１２は、本実施形態の光学式音響相関器の装置構成の概略を示す図である。図１２において、図１と同じ構成要素については同一の符号を用いている。以下の説明において、図１２に示すｘｙｚ座標系を用いる。実施形態１の波面干渉計２がマイケルソン・モーレー干渉計に分類される光学系構成を有しているのに対して、本実施形態の波面干渉計２はマッハツェンダー干渉計に分類される光学系構成を有している。
【０１３４】
本実施形態においても、単色光光源４から出射した単色光５は、実施形態１と同様な動作原理により波面干渉し、集光光学系９の入射側開口面近傍における光束断面に受信信号３１と参照信号３２の信号相関に依存した干渉縞を生成する。そして、集光光学系９による干渉光の積分強度が受光素子１０により電気信号１４として出力される。さらに、実施形態１と同様、コントラスト観測部３９（図６，図７参照）により、電気信号１４のコントラストが計測される。以上の動作によって受信信号３１と参照信号３２との信号相関処理を行う点において、本実施形態の光学式音響相関器１３１は、実施形態１の光学式音響相関器１と同様に動作する。
【０１３５】
音波伝搬部３ａ，３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に形成された屈折率分布を各々独立な光束の波面形状に写し取り、両光束の波面形状の差異を干渉縞として表現する変換器として波面干渉計２が動作することは実施形態１で詳述したとおりである。本実施形態の波面干渉計２においてもこの動作は同様である。
【０１３６】
本実施形態では、アパーチャ７の直後にあるビームスプリッタ８ａを透過した光束は、音波伝搬部３ａを透過し、その直後にある反射鏡１１ａでｚ軸正方向に反射された後もう一方のビームスプリッタ８ｂで反射される。一方、ビームスプリッタ８ａで反射された光束は、反射鏡１１ｂでさらに反射され、音波伝搬部３ｂを透過し、もう一方のビームスプリッタ８ｂを透過する。これらの２つの光束は、集光光学系９によって受光素子１０に集光される。これらの集光された光束が、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。
【０１３７】
以下、本実施形態におけるコントラスト観測手段の実装について説明する。本実施形態においても、図７に示した２枚の反射鏡１１ａ，１１ｂのどちらか一方を平行に振動させる方法を適用することができる。反射鏡１１ａ，１１ｂのいずれか一方を例えばｘ軸に平行な方向に振動させればよい。より一般的に述べれば、振動方向は振動させたい反射鏡の反射面の面外方向であり、反射面が平行移動するように振動させればよい。図１２に示す構成では、一例として、コントラスト観測部３９によって反射鏡１１ａをｘ方向に振動させている。
【０１３８】
本実施形態におけるコントラスト観測手段として、実施形態２（図１１）における２周波直線偏波レーザを用いたヘテロダイン検波による方法を用いることも可能である。図１１の構成を実装する場合は、単色光光源４を２周波直線偏波レーザ８０に置き換えるとともに、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂを２つの偏光ビームスプリッタ８１に交換すればよい。さらに、２つの偏光ビームスプリッタ８１の偏光軸を互いに直交させるとともに、両偏光軸が２周波直線偏波レーザ８０から出射される光線の偏光面に一致するように、光軸を回転軸として２周波直線偏波レーザ８０を回転させ偏波面を調整すればよい。音波伝搬部３ａ，３ｂを通過してきた各々の光束の偏波方向は直交しておりそのままでは干渉しないため、偏光軸が各光束の偏波面に対して４５°の角度をもった偏光板８２が集光光学系９の直前に挿入される。この構成では、電気信号１４は２周波直線偏波レーザ８０に含まれる２周波光の差周波数をもったビート信号となるため、反射鏡１１ａ、１１ｂの一方を振動させることなくコントラストを観測することができる。なお、偏光板８２は、集光光学系９と受光素子１０の間に挿入しても同様に機能する。
【０１３９】
以上の構成により、本実施形態の構成によれば、実施形態１、２における装置構成では物理的に大きな容積が必要であったビームスプリッタ８を小型化することが可能となる。このため、更に小型かつ光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０１４０】
なお、図１２において、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ、音波伝搬部３ａ，３ｂ，および平面鏡１１ａ，１１ｂは空間的に孤立して存在しているように表現されているが、そのような構成に限定されるものではない。図１３（ａ）に示すように、これらの構成要素を接触させるように構成してもよい。
【０１４１】
なお、図１３（ａ）に示すように、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ間の光学的接続素子として機能する反射鏡１１ａ，１１ｂを、新たに導入したプリズム１４１の所望の端面に接触させることによって、これらの構成要素を完全に密着させて構成することができる。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングすることによって同様の構成を実現してもよい。
【０１４２】
実施形態１の説明で述べたように、受光素子１０から出力される電気信号１４の安定性や装置の小型化の観点から、図１３（ａ）に示す構成は優位に機能する。また、図１３（ａ）に示す構成は２つの音波伝搬部３ａ，３ｂを通過する各々の光束が経由する光路の光路長を概ね等しくすることが出来るため、単色光光源４として広帯域光源（例えば、半導体レーザや発光ダイオード）を適用することが可能となる。このため、光学式音響相関器のコスト低減に際しても優位に機能する。ただし、広帯域光源を適用する場合、広帯域な２周波直線偏波光源の構成が技術的に困難であるため、コントラスト観測手段としては実施形態１に示した構成を適用するとよい。
【０１４３】
また、本実施形態の波面干渉計２としてのマッハツェンダー干渉計の他の可能な光学系構成として、図１３（ｂ）に示す構成を適用することもできる。図１３（ａ）の光学系構成と同様に、受光素子１０から出力される電気信号１４の安定性や装置の小型化の観点から、図１３（ｂ）の構成においてもプリズム１４１の端面に反射鏡１１ａ，１１ｂを接触させ、波面干渉計２中に存在する光路を全て光学媒質中に存在させるよう構成することが好ましい。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングを施してもよい。また、図１３（ｂ）の光学系構成において、音波伝搬部３ａの屈折率分布を反映した波面形状をもつ光束は直線状の経路を辿るため、各素子の光学調整が容易になるという利点も有している。
【０１４４】
本実施形態においても実施形態１と同様、受信信号３１と参照信号３２の音波伝搬部３ａ，３ｂへの入力の順序や方向は特に限定されない。図１４および図１５に示す構成のいずれも適用可能であることは言うまでもない。ただし、図１４および図１５の構成においては、受光素子１０から出力される電気信号１４中に現れるパルス状相関信号の全パルス幅に差異がある点については、実施形態１で説明したとおりである。
【０１４５】
（実施形態４）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。本実施形態の光学式音響相関器１１１は、音波伝搬部３ａ、３ｂの代わりに音波伝搬部３ｃが設けられている点と、波面干渉計２の構成とが実施形態１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１４６】
図１６に、本実施形態における光学式音響相関器の斜視図を示す。図１６に示すように、本実施形態における光学式音響相関器１は、波面干渉計２と音波伝搬部３ｃとの２つの主要部位を備えている。以下の説明では、図１６に示すｘｙ座標を用いる。
【０１４７】
本実施形態では、実施形態１における音波伝搬部３ａの代わりに、同様の材料から構成される音波伝搬部３ｃが設けられており、音波伝搬部３ｂは設けられていない。さらに、本実施形態における波面干渉計２は、実施形態１における反射鏡１１ｂの代わりにビームストッパ２８を有し、ビームスプリッタ８と音波伝搬部３ｃとの間に参照平面（参照面）２９を有している。本実施形態では、音波伝搬部３ｃの側面からｙ軸正方向に参照信号３２が入力され、反対側の側面からｙ軸負方向に受信信号３１が入力される。
【０１４８】
以下、光源４から出射された単色光５のうち、ビームスプリッタ８で反射された光束が伝搬するＡ経路１２と、ビームスプリッタ８を透過した光束が伝搬するＢ経路１３とを説明する。
【０１４９】
まず、Ａ経路１３を進行する光束は、信号雑音の原因となる迷光や散乱光を生成することなく、ビームストッパ２８により良好に吸収される。
【０１５０】
一方、Ｂ経路２７を進む光束は、参照平面２９によってビームスプリッタ８方向へ反射されるＢｒｅ経路２１０と、音波伝搬部３ｃに向かって参照平面２９を透過してゆくＢｔｒａｎｓ経路２１２とに更に分割される。なお、参照平面２９のｘ軸負側にある光学面は、単色光５の波長に換算して十分な平面精度（少なくとも１／８波長以上）を有している。
【０１５１】
次に、Ｂｒｅ経路２１０およびＢｔｒａｎｓ経路２１２の２つの経路を進む光束の振る舞いを説明する。
【０１５２】
まず、Ｂｒｅ経路２１０を説明する。参照平面２９で反射されたＢｒｅ経路２１０を進む光束は、ビームスプリッタ８により、２つの成分に分かれる。ビームスプリッタ８で反射される成分は、集光光学系９により受光素子１０に集光され、積分された光強度が電気信号１４に変換される。例えば、集光光学系９は、Ｂｒｅ経路２１０を進む光束の進行方向に対して、ビームスプリッタ８で９０度の方向に反射された位置に配置されている。なお、ビームストッパ２８と集光光学系９とは、ビームスプリッタ８を介して互いに対面した位置に配置されている。
【０１５３】
また、Ｂｒｅ経路２１０を進む光束のうちビームスプリッタ８を透過する成分は単色光光源４に戻ることになる。単色光光源４は、単色光光源４に戻る光を遮蔽すること等により、単色光光源４が単色光５の発射する動作に影響を与えないように、戻り光対策がなされている。
【０１５４】
次に、Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を説明する。Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を進む光束は、音波伝搬部３ｃを通過し、反射鏡２１５により反射される。そして、反射された光は、再び音波伝搬部３ｃを通過する。
【０１５５】
音波伝搬部３ｃには、受信信号３１及び参照信号３２が入力され、それらに応じた粗密波が形成されている。図１６に示す音波伝搬部３ｃにおいて、濃淡で表している部分が粗密波に相当する。音波伝搬部３ｃに入射する前の光束の波面は平面である。音波伝搬部３ｃを２回通過した後の光束の波面は、音波伝搬部３ｃに粗密波として入力される受信信号３１と参照信号３２との波形の相関に応じて、平面からずれる。このことは、後述の音波伝搬部３ｃの説明において、詳細に説明する。
【０１５６】
そして、音波伝搬部３ｃを２回通過することによって波形相関の情報を波面形状に反映した光束のうち、参照平面２９を透過した光束は、先述のＢｒｅ経路２１０を進む光束と同一経路を辿る。その光束の一部は、ビームスプリッタ８で反射され、集光光学系９により受光素子１０に集光される。受光素子１０により、集光された光束の積分強度が電気信号１４に変換される。
【０１５７】
上記構成において、各構成要素は、受信信号３１および参照信号３２が音波伝搬部３ｃに入力されていない状態で、音波伝搬部３ｃを透過し受光素子１０に向かうＢｔｒａｎｓ経路を伝搬する光束と、参照平面２９で反射され受光素子１０に向かうＢｒｅ経路を伝搬する光束とが十分に干渉するように配置される。さらに、集光光学系９の入射側開口面直前において、干渉光束の光束断面における光強度分布が十分均一（すなわち、ゼロフリンジ状態）になるよう、各構成要素の面精度の確保とそれらの十分な光軸調整とが行われる。
【０１５８】
図１７は、光束の波面の乱れが干渉縞として出現することを説明するための模式図である。図１７（ａ）は音響干渉部３の波面に乱れがある場合の例を示し、図１７（ｂ）は、波面の乱れがない場合の例を示している。
【０１５９】
図１７（ａ）に示すように、音波伝搬部３ｃに音響信号（粗密波）を入力した時、音波伝搬部３ｃを通過する光束に波面の乱れが生成される。集光光学系９に入射する開口面の直前位置での光束断面において、その波面の乱れが干渉縞４００として現れることを観察することができる。
【０１６０】
受光素子１０は、干渉光（波面の乱れを有する光）の積分強度が受光されるため、干渉縞がまったくない場合に、最も高いコントラスト（＝信号振幅値／信号の時間平均値）を持った電気信号が受光素子１０から出力される。一方、波面の乱れが顕著になるほど複雑な干渉縞が生成され、受光素子１０から出力される電気信号のコントラストは低下する。
【０１６１】
つまり、受光素子１０から出力される電気信号のコントラストを観測することによって、音波伝搬部３ｃでを通った光束の波面の乱れの強弱を判断することができる。受光素子１０から出力される電気信号のコントラストの具体的な測定法については後ほど詳述する。
【０１６２】
次に、再び図１６を参照して、各構成要素の光学調整法を説明する。ビームスプリッタ８の４つの入・出射面、参照平面２９のｘ軸正側にある光学面、音波伝搬部３ｃの２つの入・出射面には反射防止膜が形成されていることが好ましい。これは、各光学面で生成される多重反射光線が上記干渉縞に重畳し干渉することを防ぐためである。また、多重反射光線の強度を低減するために、これら各々の光学面が、その面を通過する光束の波面に対して、平行にならないよう所望の角度がつけられていることが好ましい。また、参照平面２９のｘ軸負側にある光学面には、反射膜のコーティングを施し、所望の反射率にしてもよい。
【０１６３】
次に、本実施形態における光学式音響相関器１１１の音波伝搬部３ｃの構成を説明する。図１８は、本実施形態における光学式音響相関器１１１の音波伝搬部３ｃの上面図である。図１８は、図１の音波伝搬部３ｃの拡大図に相当し、両図の方位関係を一致させている。すなわち、図１８における右側に反射鏡１１が存在している。
【０１６４】
図１８に示す音波伝搬部３ｃは、音響媒質３３、及び音響媒質３３の両端に配置された粗密波生成部９１を有している。音響媒質３３は、例えば、矩形断面を有する柱状の容器に封入されている。
【０１６５】
時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１と、時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２の２つの電気信号が、粗密波生成部９１を経由して、音波伝搬部３ｃに入力される。音響媒質３３への入力されるこれらの電気信号は、音響媒質３３を長手方向に伝搬する粗密波に変換される。この粗密波は、図１８の音響媒質３３の長手方向であるｙ軸に平行に進行する平面波である。この粗密波が概ね平面波となるように、音響媒質３３の断面形状および粗密波生成部９１の構造が設計されている。
【０１６６】
次に、音波伝搬部３ｃの動作について説明する。
【０１６７】
音響媒質３３を伝搬する粗密波は、音響媒質３３中に圧縮応力分布を生成する。この圧縮応力分布は、音響媒質３３を構成する物質の密度分布に相当する。よって、この圧縮応力分布は、音響媒質３３を透過する光束に対する屈折率分布に相当する。
【０１６８】
ここで、ある時刻ｔ０において、時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１と時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２とによる粗密波が、音響媒質３３上に形成する屈折率分布をそれぞれＦ（ｘ，ｔ０）、Ｒ（ｘ，ｔ０）とする。次に、屈折率分布が以下の式５を満足する状況を想定する。
【数５】
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【０１６９】
このような状況下で、時刻ｔ０の瞬間における音響媒質３３中の屈折率分布は、その場所によらず均一である。そのため、粗密波が伝搬しているにもかかわらず、あたかも信号が無い場合（粗密波が伝搬していない）と同様に、音波伝搬部３ｃを通過する光束の波面形状の乱れは生じない。この状態は、図１７（ｂ）に示す状態に相当する。
【０１７０】
ゆえに、式５が成立する場合、図１６に示す受光素子１０から出力される電気信号のコントラストは最大となる。また逆に、任意の時刻ｔにおいてＦ（ｘ，ｔ）と−Ｒ（ｘ，ｔ）との分布の相違が顕著になればなるほど、受光素子２１４から出力される電気信号のコントラストは小さくなる。
【０１７１】
以上のように、音波伝搬部３ｃは、受光素子２１４から出力される電気信号のコントラストの大小に応じて、受信信号３１の波形の形状と参照信号３２の波形の形状との相違を判定する素子として動作する。
【０１７２】
以下、本実施形態における光学式音響相関器１を、符号拡散された音波を用いた通信システムの受信機側に設けられる逆拡散用の相関器に適用する場合の例を説明する。
【０１７３】
本実施形態においても、図５に示す符号拡散方式を想定する。実施形態１と同様、逆拡散処理を行なうために、受信機において、以下の２つの信号処理（Ａ），（Ｂ）が遂行される。
（Ａ）受信信号３１と参照信号３２のタイミング調整処理
（Ｂ）受信信号３１と参照信号３２の振幅調整処理
【０１７４】
まず、信号処理（Ａ）について説明する。図１９は、受信器において拡散符号４２から参照信号３２が生成される様子を示す模式図である。受信機は、送信機側で用いられた拡散符号４２と同一の符号を生成する手段を予め内包している。図５に示すように、拡散符号４２を時間反転し、さらに−１を乗じた信号が参照信号３２として供給される。
【０１７５】
信号処理（Ａ）は、受信機内で参照信号３２の生成タイミングを受信信号３１の符号の開始タイミングに合うように調整する処理である。具体的には、図１８における音響媒質３３の端面に参照信号３２の符号の開始（図１９において参照信号開始５１と表示）が入力されると、同時刻に、受信信号３１の符合の開始（図５において受信信号開始４４と表示）が音響媒質３３のもう一方の端面に丁度入力されるよう、受信機内で参照信号３２の生成タイミングが調整される。このようなタイミング調整は、例えば、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式に代表される無線通信システムで用いられる多種多様な信号同期方法（例えば、同期調整用の信号の送受信）を適用することによって実現される。
【０１７６】
信号処理（Ｂ）については、実施形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０１７７】
本実施形態においても、図１８における音響媒質３３のｙ軸方向の長さは、図５におけるデータ４１の１ビット長の時間において、丁度１ビット分の符号拡散された信号４３が粗密波として伝搬するように調整される。
【０１７８】
図２０（ａ）は、符号拡散された信号４３の中で「１」に相当する符号列から「１」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図２０（ａ）に示すように、ある時刻ｔ１において、符号拡散された信号４３のなかで「１」に相当する符号列が音響媒質３３全体に伝搬したとすると、それに応じて音響媒質３３内で受信信号３１による屈折率分布６１が生成される。
【０１７９】
一方、同時刻において参照信号３２は、受信信号３１とは逆の屈折率分布に相当する参照信号３２による屈折率分布６２を生成する。従って、このとき、式５の条件が満足されるため、図１６における受光素子１０から出力される電気信号のコントラストは最大となる。また、上述の説明より類推されるように時刻ｔ１の前後においては、式５が満足されないためにコントラストは低くなる、従って、コントラストの時間変動は時刻ｔ１においてパルス的（パルス幅はτ／（２ｎ））に最大値を与え、その前後においてはノイズ状の不規則な時間変動をする。
【０１８０】
一方、図２０（ｂ）は、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列から「０」が逆拡散により再生される様子を示した模式図である。図２０（ｂ）に示すように、符号拡散された信号４３の中で「０」に相当する符号列が音響媒質３３全体に伝搬したとすると式５は満足されないため、やはりコントラストの増強は生じない。以上のようにして、本実施形態における光学式音響相関器１１１による受信信号３２の逆拡散処理が実行される。
【０１８１】
図２０（ｃ）は、４ビット分の受信信号３１が復調信号として受光素子１０から出力された信号１４の時間波形の例を示す図である。実施形態１と同様、逆拡散処理により、受信信号３１は、ビット長τを持つパルス信号として、受光素子２１４からの出力信号６４に現れる。受光素子１０からの出力信号１４において、受信信号３１に拡散されたデータは、パルス状の波形としてビットの最後に出現する。送波時の“１”は復調信号中で“パルス有”として、送波時の“０”は復調信号中で“パルス無し”として現れる。実際のデータ再生は、適当な閾値を設定し、受光素子１０からの出力信号１４におけるパルス状波形の有無を判定することによりなされる。
【０１８２】
このように、本実施形態の光学式音響相関器１１１によれば、実施形態１と同様、受光素子１０から出力される出力信号１４のコントラストを観測することにより、受信信号３１と参照信号３２とが相関しているか否かを判定できる。本実施形態においても、コントラストの観測は、図１６に示すコントラスト観測部３９が、反射鏡１１を振動させることによって行われる。具体的には、コントラスト観測部３９は、周波数ωの正弦波信号が入力されると、単色光５の波長をλとして、圧電振動体７２を振幅λ／４程度で振動させるように制御する。
【０１８３】
次に、音響媒質３３に受信信号３１と参照信号３２を粗密波として入力するための装置構成を説明する。
【０１８４】
図２１は、音波伝搬部３ｃの端部に設けられた粗密波生成部の詳細構造を示した斜視図である。図２１に示すように、音波伝搬部３ｃの端部に設けられた粗密波生成部９１は、吸音材９２と多数の圧電振動体９３のマトリクス構造となっている。
【０１８５】
音響媒質３３中を伝搬する粗密波が十分平坦な波面をもつ粗密平面波となるためには、各圧電振動体９３の配置間隔は、音響媒質３３中に生成されるべき粗密波の最小波長に換算して、少なくとも１／２波長以下であることが望ましい。
【０１８６】
各々の圧電振動体９３には受信信号３１あるいは参照信号３２が電気信号として同相入力される。それに応じて各圧電振動体９３は図中の矢印方向に伸張することにより、単体では粗密波点波源として動作するが、各々の圧電振動体９３によって生成された粗密波は重畳されて最終的には良好な粗密平面波となる。
【０１８７】
なお、吸音材９２が必要となる理由については次のとおりである。本実施形態における音波伝搬部３ｃでは、受信信号３１と参照信号３２とを対面する端面から入力するために、端面での粗密波の良好な吸音が実現されないと、反射波が生成され、それによる屈折率分布がノイズとして受光素子１０からの出力信号に混入し、コントラストの低下を来たす。この問題を回避するために吸音材９２の敷設が必要となる。
【０１８８】
以上、本実施形態における光学式音響相関器１１１の構成と動作を説明した。かかる構成によれば、受信信号３１と同期した参照信号３２、および、参照信号３２と同一振幅値を持つように自動利得調整された受信信号を粗密音波として音波伝搬部３ｃに入力、干渉させて屈折率分布を音響媒質３３に生成する。その屈折率分布を光束の波面形状を介して干渉縞として発現させ、受光素子１０においてその積分強度を電気信号に変換し、そのコントラストを観測する。これにより、小型受動素子として光学式音響信号相関器を実現することができる。
【０１８９】
なお、本実施形態において、図１６に示すように、音波伝搬部３ｃへの受信信号３１および参照信号３２の入力は、それぞれ音波伝搬部３ｃの両端面のｙ軸正・負方向側からなされるものとしたが、この位置関係が逆転してもよいことは言うまでもない。
【０１９０】
また、ビームスプリッタ８，ビームストッパ２８，参照平面２９，音波伝搬部３ｃ，反射鏡１１の間は空気層が挿入されているように説明したが、図２２に示すように、これら全てを接触させて配置しても良い。参照平面２９と音波伝搬部３ｃとの間、および音波伝搬部３ｃと反射鏡１１との間に存在する空気層の揺動による影響は干渉縞として出現するため、逆拡散（復調）された信号のノイズを低減するという観点において、これらの空気層を排除することは優位に作用する。もちろん、装置全体の小型化のためにも、本構成は優位に作用する。
【０１９１】
また、上記の説明では、参照平面２９は別個の光学素子として説明したが、図１１に示すように、ビームスプリッタ８の光学面１１０（あるいは、音波伝搬部３ｃのビームスプリッタ８側に面する光学面）で代用しても良い。この場合、光学素子の数を減じることになるため、装置の小型化と各素子の光軸調整を用意にする点において優れる。
【０１９２】
（実施形態５）
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器は、実施形態４と比較して、単色光光源４および反射鏡１１の振動を用いる代わりに２周波ゼーマンレーザに代表される２周波直線偏波レーザ８０を用いて光ヘテロダイン検波を行う点が異なっている。以下、実施形態４と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１９３】
図２４は、本実施形態における光学式音響相関器１１２の概略構成を示す図である。図２４において、図１６に示す構成と比較して、単色光光源４が２周波直線偏波レーザ８０に置き換わっているとともに、新たに２つの光学素子が挿入されている。なお、本実施形態では、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１を振動させず、受光信号１４のコントラストの観測のみを行う。
【０１９４】
２周波直線偏波レーザは、互いにわずかに周波数の異なる２つの直線偏波光を生成する。これらの２つの直線偏波光の角周波数差をωと表す。それらの偏波面は出射光線中において直交している。そこで、本実施形態では、図２４に示すように、参照平面２９のｘ軸負側の光学面に偏波選択性の反射コーティング８４が施される。反射コーティング８４の偏波選択性は、その表面において、２直線偏波光のいずれか一方は反射されるが、他方は透過するように設計されている。また、ビームスプリッタ８の集光光学系９側の光学面に、上記２つの直線偏波光の各偏波面に対して４５°の偏光軸を有する偏光板８２が挿入される。
【０１９５】
偏光板８２を通過することによって、参照平面２９からの反射光束と音波伝搬部３ｃで波面形状に変調を被った光束とが干渉し、干渉縞が生成される。両者の光束は周波数差ωを有するので、干渉縞は強度分布を変えることなく全体として周波数ωで明滅する。
【０１９６】
従って、受光素子１０から出力される電気信号１４は周波数ωで変動する正弦波状信号となり、実施形態４の説明で述べたような信号検波方法を適用することによりコントラストを測定することができる。このように、本実施形態では、反射鏡１１を振動させることなく、電気信号１４のコントラストを測定することができる。このコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１および相関信号３２の相関を検出することができる。なお、図２４では、偏光板８２をビームスプリッタ８１と集光光学系９との間に配置しているが、集光光学系９の光学特性に偏波依存性がない場合は偏光板８２を集光光学系９と受光素子１０との間に配置してもよい。
【０１９７】
（実施形態６）
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。本実施形態による光学式音響相関器１２１は、波面干渉計２における光学系の配置が実施形態４の光学式音響相関器１１１と異なっている。以下、実施形態４と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０１９８】
図２５は、本実施形態の光学式音響相関器１２１の装置構成を示す上面図である。図２５において、図１６と同じ構成要素については同じ符号を用いている。実施形態４の波面干渉計２がフィゾー干渉計に分類されるものであるのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マイケルソン・モーレー干渉計に分類されるものである。
【０１９９】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態４と同様の原理により、波面干渉し、その積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３と２の信号相関を行う点において、実施形態４と同様に動作する。波面干渉計２は、音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を、平面からの波面形状の乱れとして干渉縞の形態に変換する変換器として動作することは実施形態４の説明で詳述したとおりである。本実施形態においては、ビームスプリッタ８でｙ軸正方向に反射され、反射鏡１１で反射される際に音波伝搬部３ｃを２回通過し、受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。また、ビームスプリッタ８を通過し、ｘ軸正方向にある反射鏡１１で反射された後にビームスプリッタ８で反射され、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。このように、本実施形態の構成は、実施形態４の構成と同様に動作する。
【０２００】
本実施形態によれば、参照平面２９が不要となるため、さらに小型で光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２０１】
なお、図２５において、ビームスプリッタ８，音波伝搬部３ｃ，両平面鏡１１は接触させているように表現したが、各々を孤立して配置してもよいことは言うまでもない。しかしながら、前述したように、受光素子１０からの電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図２５に示す構成を採用することが望ましい。また、受信信号３１および参照信号３２の音波伝搬部３ｃ端部への各入力方向は、図２５に示す方向と比較して逆転していても良いことは言うまでもない。
【０２０２】
更に、コントラストの測定手段として、実施形態４と同様に、図２５に示す２枚の平面鏡１１のどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態５と同様、図２４に示す２周波直線偏波レーザを用いたヘテロダイン検波によっても実現することができる。後者の構成を採用する場合、ビームスプリッタ８を偏光ビームスプリッタに変更し、偏光ビームスプリッタとｘ軸正方向の反射鏡１１との間、および偏光ビームスプリッタと音波伝搬部３ｃとの間または音波伝搬部３ｃと反射鏡１１との間に１／８波長板を挿入し、更に、偏光ビームスプリッタと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成により、実施形態５と同様、ビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸は、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面と一致させ、偏光板の偏光軸は、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すればよい。
【０２０３】
（実施形態７）
次に、本発明の第７の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器１３１は、実施形態４と比較して、波面干渉計２の構成が異なっている。以下、実施形態４と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２０４】
図２６は、本実施形態の光学式音響相関器１３１の装置構成を示す斜視図である。実施形態４の波面干渉計２がフィゾー干渉計、実施形態６の波面干渉計２がマイケルソン・モーレー干渉計に分類される光学系構成を有しているのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マッハツェンダー干渉計に分類される光学系構成を有している。
【０２０５】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態４と同様の原理により波面干渉し、干渉光の積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３２との信号相関を行う点において、実施形態４および実施形態６と同様である。
【０２０６】
音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を、平面波からの波面形状の乱れとして干渉縞に変換する変換器として波面干渉計２が動作することは実施形態４の説明で詳述したとおりである。本実施形態においては、アパーチャ７の直後にあるビームスプリッタ８ａを透過した後に音波伝搬部３ｃを透過し、直後にある反射鏡１１ａでｚ軸正方向に反射され、かつ、もう一方のビームスプリッタ８ｂでも反射され、そして受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ｃ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。また、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａによりｚ軸正方向に反射され、反射鏡１１ｂでｘ軸正方向に折り返され、もう一方のビームスプリッタ８ｂを透過し、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。以上のように、本実施形態の光学式音響相関器１３１は、前述の実施形態４、および、実施形態６と同様に動作する。
【０２０７】
以上のように構成することにより、実施形態６と同様に参照平面２９が省略可能となるため、小型かつ光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２０８】
なお、図２６において、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ、音波伝搬部３ｃ、２つの平面鏡１１ａ、１１ｂは、空間的に孤立して存在しているように表現したが、図２７（ａ）に記すように、これらの構成要素を接触させるように構成してもよい。なお、図２７（ａ）に記すように、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ間の光学的接続素子として機能する反射鏡１１ａ、１１ｂを、新たに導入したプリズム１４１の所望の端面に接触させることによって、これらの構成要素を完全に密着させて構成することができる。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングすることによっても同一構成を実現できる。実施形態４、６の説明で述べたように、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図２７（ａ）に示す構成を採用することが望ましい。
【０２０９】
また、本実施形態の波面干渉計２としてのマッハツェンダー干渉計の構成として、図２７（ｂ）に示すような構成を適用することもできる。図２７（ａ）の光学系構成と同様に、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図２７（ｂ）の構成においてもプリズム１４１の端面に反射鏡１１ａ、１１ｂを接触させ、波面干渉計２中の光路を全て光学媒質中に存在させるよう構成することが望ましい。また、図２７（ｂ）の光学系構成においては、音波伝搬部３ｃの屈折率分布を反映した波面形状をもつ光束は直線状の経路を辿るため、各素子の光学調整が容易になるという利点も有している。
【０２１０】
なお、本実施形態においても、音波伝搬部３ｃの２つの端部への受信信号３１と参照信号３２の入力順序は特に限定されず、どちらにおいても同様に機能することは言うまでもない。
【０２１１】
更に、コントラストの測定手段として、実施形態４、６と同様に、２枚の平面鏡１１ａ、１１ｂのどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態５のように、図２４に示す２周波直線偏波レーザ８０を用いたヘテロダイン検波により実現する構成を採用してもよい。
【０２１２】
例えば、図２７（ａ）の構成においてヘテロダイン検波を行うためには、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａを偏光ビームスプリッタに変更し、更に、もう一方のビームスプリッタ８ｂと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成によってビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸を、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面方向と一致させ、また、前記偏光板の偏光軸を、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すれば良好なビート光を生成させることができる。
【０２１３】
（実施形態８）
次に、本発明の第８の実施形態を説明する。本実施形態の光学式音響相関器１１１は、実施形態４の構成と比較して、平行に配置された２つの音波伝搬部３ａ、３ｂを有しており、それらの一方に受信信号３１が入力され、他方に参照信号３２が入力される点が異なっている。以下、実施形態４と異なる点を中心に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２１４】
図２８に、本実施形態における光学式音響相関器１１４の斜視図を示す。図２８に示すように、本実施形態における光学式音響相関器１１４は、波面干渉計２と音波伝搬部３ａ、３ｂとを備えている。以下の説明では、図２８に示すｘｙ座標を用いる。
【０２１５】
本実施形態における光束の伝搬経路は、実施形態４における経路と全く同様であるが、Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を伝搬する光束が、２つの音波伝搬部３ａ、３ｂを通過する点が実施形態４とは異なっている。２つの音波伝搬部３ａ、３ｂの一方にはｙ軸正方向に参照信号３２が入力され、他方にはｙ軸負方向に受信信号３１が入力される。
【０２１６】
図２９は、本実施形態における音波伝搬部３ａ、３ｂの上面図である。図２９は、図２８に示す音波伝搬部３ａ、３ｂの拡大図に相当し、両図の方位関係は一致している。
【０２１７】
図２９に示す音波伝搬部３ａ、３ｂの各々は、音響媒質３３と、音響媒質３３の端面に配置された粗密波生成部９１及び吸音材９２を有している。２つの音響媒質３３は、概ね平行になるように配置されている。音響媒質３３は、例えば、矩形断面を有する柱状である。また、粗密波生成部９１及び吸音材９２は、音響媒質３３の互いに対向する面に配置されている。このように、本実施形態における音波伝搬部３ａ、３ｂは、実施形態１における音波伝搬部３ａ、３ｂと同様の構成を有している。
【０２１８】
時間波形ｆ（ｔ）を有する受信信号３１、および時間波形ｒ（ｔ）を有する参照信号３２の２つの電気信号が、粗密波生成部９１を経由して、各々の音響媒質３３に入力される。すなわち、粗密波生成部９１は、音響媒質３３の電気信号が入力される端面に配置されている。本実施形態では、図２９に示すように、入力される受信信号３１及び参照信号３２は、互いに逆の方向から入力される。
【０２１９】
これらの音響媒質３３へ入力される電気信号は、音響媒質３３中を長手方向に伝搬する粗密波である。この粗密波は、図２９に示す音響媒質３３の長手方向であるｙ軸に平行に進行する平面波である。この粗密波が平面波となるように、音響媒質３３の断面形状、及び粗密波生成部９１の構造が設計されている。
【０２２０】
以上の構成により、本実施形態の光学式音響相関器１１４は、実施形態４における光学式音響相関器（図１６）と全く同様の動作を行う。本実施形態においても、図２０を参照して説明した議論が全く同様に成立する。Ｂｔｒａｎｓ経路２１２を経由した光束とＢｒｅ経路を経由した光束との干渉光を受光素子１０で検出し、出力信号１４のコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、２つの信号の相関が判定される。このために、本実施形態においても、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１がｘ方向に振動するように制御する。
【０２２１】
以上のように、本実施形態によれば、実施形態４と同様、受信信号３１と同期した参照信号３２、および、参照信号３２と同一振幅値を持つように自動利得調整された受信信号３１が疎密音波として音波伝搬部３ａ、３ｂに入力される。音波伝搬部３ａ、３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に各々の信号に依存した屈折率分布が生成し、各屈折率分布の和が光束の波面形状を介して干渉縞として発現する。受光素子１０においてその積分強度が電気信号に変換され、コントラスト観測部３９によってそのコントラストが観測される。このような動作により、小型受動素子として光学式音響信号相関器を実現することができる。
【０２２２】
なお、本実施形態においては、図２９に示すように、音波伝搬部３ａ、３ｂへの受信信号３１および参照信号３２の入力は、音響媒質３３中を伝搬するそれぞれの疎密波がｙ軸負・正方向に進行するが、この位置関係が逆転してもよいことは言うまでもない。すなわち、図３０Ａに示す音波伝搬部３ａ、３ｂの４つの構成は全て同様に機能する。
【０２２３】
音波伝搬部３ａ、３ｂの可能な構成としては、更に図３０Ｂに示す４種類の構成が可能である。図３０Ａの装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２とが反転した瞬間の前後τ／（４ｎ）に局在したパルス状（全パルス幅はτ／（２ｎ））の相関信号が受光素子１０から出力される出力信号１４に出現する。一方、図３０Ｂに示す装置構成においては、受信信号３１と参照信号３２とが反転した場合に受光素子１０から出力される出力信号１４中に出現するパルス状の相関信号の全パルス幅はτ／２となる。したがって、図３０Ａの構成に比べ、図３０Ｂの構成では、全パルス幅がｎ倍に拡大される。拡散符号４２を構成するチップ幅が短くなるため、十分なパルス幅を持った相関信号が得られない場合には本構成は優位に作用する。
【０２２４】
なお、図２８に示す構成では、ビームスプリッタ８，ビームストッパ１２，参照平面２９，音波伝搬部３ａ、３ｂ、反射鏡１１の間は空気層が挿入されているように表されている。しかしながら、図３１に示すように、これら全てを接触させて配置しても良い。参照平面２９と音波伝搬部３ａ、３ｂとの間、および音波伝搬部３ａ、３ｂと反射鏡１１との間に存在する空気層の揺動は干渉縞として出現するため、逆拡散（復調）された信号のノイズを低減する点において、これらの空気層を排除することは優位に作用する。もちろん、装置全体の小型化のためにも、本構成は優位に作用する。なお、受信信号３１と参照信号３２との混ざりこみを防ぐために、疎密波伝搬速度が音響媒質３３から大きく異なる光学媒体を、２つの音響媒質３３の間に挿入することが好ましい。
【０２２５】
また、参照平面２９は、他の光学系とは別個の光学素子として説明したが、図３２に示すように、ビームスプリッタ８の光学面１１０（あるいは、音波伝搬部３ａ、３ｂのビームスプリッタ８側に面する光学面）で代用しても良い。この場合、光学素子の点数を減じることになるため、装置の小型化と各素子の光軸調整を容易にする点において優れる。
【０２２６】
（実施形態９）
次に、本発明の第９の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器は、実施形態８と比較して、単色光光源４および反射鏡の振動を用いる代わりに２周波ゼーマンレーザに代表される２周波直線偏波レーザ８０を用いて光ヘテロダイン検波を行う点が異なっている。以下、実施形態８と異なる点を説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２２７】
図３３は、本実施形態における光学式音響相関器の概略構成を示す図である。図３３において、図２８に示す構成と比較して、単色光光源４が２周波直線偏波レーザ８０に置き換わっているとともに、新たに２つの光学素子が挿入されている。なお、本実施形態では、コントラスト観測部３９は、反射鏡１１を振動させず、受光信号１４のコントラストの観測のみを行う。
【０２２８】
２周波直線偏波レーザは互いにわずかに周波数の異なる２つの直線偏波光を生成する。これらの２つの直線偏波光の各周波数差をωと表す。それらの偏波面は出射光線中において直交している。そこで、本実施形態では、図３３に示すように、参照平面２９のｘ軸負側の光学面に偏波選択性の反射コーティング８４が施される。反射コーティング８４の偏波選択性は、その表面において、２直線偏波光のいずれか一方は反射されるが、他方は透過するように設計されている。また、ビームスプリッタ２５の集光光学系２１３側の光学面に、前記２直線偏波光の各偏波面に対して４５°の偏光軸を有する偏光板８２が挿入される。
【０２２９】
偏光板８２を通過することによって、参照平面２９からの反射光束と音波伝搬部３ａ、３ｂで波面形状に変調を被った光束とが干渉し、干渉縞が生成される。両者の光束は周波数差ωを有するので、干渉縞は強度分布を変えることなく全体として周波数ωで明滅する。
【０２３０】
従って、受光素子１０から出力される電気信号１４は周波数ωで変動する正弦波状信号となり、実施形態８の説明で述べたような信号検波方法を適用することによりコントラストを測定することができる。このように、本実施形態では、反射鏡１１を振動させることなく、電気信号１４のコントラストを測定することができる。このコントラストをコントラスト観測部３９によって観測することにより、受信信号３１および相関信号３２の相関を検出することができる。なお、図３３では、偏光板８２をビームスプリッタ８１と集光光学系９との間に配置しているが、集光光学系９の光学特性に偏波依存性がない場合は偏光板８２を集光光学系９と受光素子１０との間に配置してもよい。
【０２３１】
（実施形態１０）
次に、本発明の実施形態１０を説明する。本実施形態による光学式音響相関器１２２は、波面干渉計２における光学系の配置が実施形態８の光学式音響相関器１１１と異なっている。以下、実施形態８と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２３２】
図３４は、本実施形態の光学式音響相関器１２２の装置構成を示す上面図である。図３４において、図２８と同じ構成要素については同じ符号を用いている。実施形態８の波面干渉計２がフィゾー干渉計に分類されるものであるのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マイケルソン・モーレー干渉計に分類されるものである。
【０２３３】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態８と同様の原理により波面干渉し、その積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３２の信号相関を行う点において、実施形態８と同様に動作する。  波面干渉計２は、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に形成された屈折率分布を、平面からの波面形状の乱れとして干渉縞の形態に変換する変換器として動作することは実施形態８の説明で詳述したとおりである。本実施形態においては、ビームスプリッタ８でｙ軸正側に反射され、反射鏡１１で反射される際に音波伝搬部３ａ、３ｂを２回通過し、受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ａ、３ｂにより形成される波面の乱れを伝達する光束成分に相当する。また、ビームスプリッタ８を通過し、ｘ軸正方向にある反射鏡１１で反射された後にビームスプリッタ８で反射され、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。このように、本実施形態の構成は、実施形態８の構成と同様に動作する。
【０２３４】
本実施形態によれば、参照平面２９が不要となるため、さらに小型で光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２３５】
なお、図３４において、ビームスプリッタ８，音波伝搬部３ａ、３ｂ，両平面鏡１１は接触させているように表現したが、各々を孤立して配置してもよいことは言うまでもない。しかしながら、前述したように、受光素子１０からの電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図３４に示す構成を採用することが望ましい。また、受信信号３１および参照信号３２の音波伝搬部３ａ、３ｂ端部への入力方向は、図３４に示した方向以外にも、図３０Ａおよび図３０Ｂに示した方向がここでも適用可能であることは良いことは言うまでもない。ただし、図３０Ａの構成と図３０Ｂの構成とでは、受光素子１０からの出力信号１４に出現するパルス状相関信号の全パルス幅に差異がある点については、実施形態８の説明で述べたとおりである。
【０２３６】
更に、コントラストの測定手段としては実施形態８と同様に、図３４に示す２枚の反射鏡１１のどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態９と同様、図３３に示す２周波直線偏波レーザ８０を用いたヘテロダイン検波により実現することもできる。後者を採用する場合、ビームスプリッタ８を偏光ビームスプリッタに変更し、偏光ビームスプリッタとｘ軸正方向の反射鏡１１との間、および偏光ビームスプリッタと音波伝搬部３ａ、３ｂとの間または音波伝搬部３ａ、３ｂと反射鏡１１との間に１／８波長板を挿入し、更に、偏光ビームスプリッタと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成により、実施形態９と同様、ビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸は、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面と一致させ、偏光板の偏光軸は、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すればよい。
【０２３７】
（実施形態１１）
次に、本発明の第１１の実施形態を説明する。本実施形態における光学式音響相関器１３２は、実施形態８と比較して、波面干渉計２の構成が異なっている。以下、実施形態８と異なる点を主に説明し、重複する事項についての説明は省略する。
【０２３８】
図３５は、本実施形態の光学式音響相関器１３２の装置構成を示した斜視図である。実施形態４の波面干渉計２がフィゾー干渉計、実施形態６の波面干渉計２がマイケルソン・モーレー干渉計に分類される光学系構成を有しているのに対し、本実施形態の波面干渉計２は、マッハツェンダー干渉計に分類される光学系構成を有している。
【０２３９】
単色光光源４から出射された単色光５は、実施形態４と同様の原理により波面干渉し、干渉光の積分強度が受光素子１０により電気信号として出力される。そして、その電気信号のコントラストを計測することによって受信信号３１と参照信号３２との信号相関を行う点において、実施形態８および実施形態１０と同様である。
【０２４０】
音波伝搬部３ａ、３ｂを構成する２つの音響媒質３３中に形成された屈折率分布を、平面波からの波面形状の乱れとして干渉縞に変換する変換器として波面干渉計２が動作することは、実施形態８で詳述したとおりである。本実施形態においては、アパーチャ７の直後にあるビームスプリッタ８ａを透過した後に音波伝搬部３ａ、３ｂを透過し、直後に配置された反射鏡１１ａでｚ軸正方向に反射され、かつ、もう一方のビームスプリッタ８ｂでも反射され、そして受光素子１０に集光される光束が、音波伝搬部３ａ、３ｂ中に形成された屈折率分布を波面の乱れとして伝達する光束成分に相当する。また、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａによりｚ軸正方向に反射され、反射鏡１１ｂでｘ軸正方向に折り返され、もう一方のビームスプリッタ８ｂを透過し、受光素子１０で捕らえられる光束成分が、上記光束の波面干渉の際の参照平面波に相当する。以上のように、本実施形態の光学式音響相関器１３２は、実施形態８、および、実施形態１０の光学式音響相関器と同様に動作する。
【０２４１】
以上のように構成することにより、実施形態１０と同様に参照平面２９が省略可能となるため、小型かつ光学素子の調整が容易な光学式音響相関器を提供できる。
【０２４２】
なお、図３５において、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ、音波伝搬部３ａ、３ｂ、２つの平面鏡１１ａ、１１ｂは、空間的に孤立して存在しているように表現したが、図３６（ａ）に示すように、これらの構成要素を接触させるように構成してもよい。なお、図３６（ａ）に記すように、２つのビームスプリッタ８ａ、８ｂ間の光学的接続素子として機能する反射鏡１１ａ、１１ｂを、新たに導入したプリズム１４１の所望の端面に接触させることによって、これらの構成要素を完全に密着させて構成することができる。あるいは、プリズム１４１の所望の端面に反射コーティングすることによっても同一構成を実現できる。実施形態８、１０の説明で述べたように、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図３６（ａ）に示す構成を採用することが望ましい。
【０２４３】
また、本実施の形態の波面干渉計２としてのマッハツェンダー干渉計の構成として、図３６（ｂ）に示すような構成を適用することもできる。図３６（ａ）の光学系構成と同様に、受光素子１０から出力される電気信号の安定性や装置の小型化の観点からは、図３６（ｂ）の構成においてもプリズム１４１の端面に反射鏡１１ａ、１１ｂを接触させ、波面干渉計２中の光路を全て光学媒質中に存在させるよう構成することが望ましい。また、図３６（ｂ）の光学系構成においては、音波伝搬部３ａ、３ｂの屈折率分布を反映した波面形状をもつ光束は直線状の経路を辿るため、各素子の光学調整が容易になるという利点も有している。
【０２４４】
なお、実施形態８、１０と同様、本実施形態においても、音波伝搬部３ａ、３ｂの２つの端部への受信信号３１および参照信号３２の入力方向は特に限定されず、図３０Ａおよび図３０Ｂに示す構成のいずれも適用可能であることは言うまでもない。ただし、図３０Ａの構成と図３０Ｂの構成とでは、受光素子１０からの出力信号１４に出現するパルス状相関信号の全パルス幅に差異がある点については、実施形態８の説明で述べたとおりである。
【０２４５】
更に、コントラストの測定手段として、実施形態８、１０と同様に、２枚の平面鏡１１ａ、１１ｂのどちらか一方を光束進行方向に平行に振動させる方法を採用することができる。あるいは、実施形態９（図３３）と同様、２周波直線偏波レーザを用いたヘテロダイン検波により実現することもできる。
【０２４６】
例えば、図３６（ａ）の構成においてヘテロダイン検波を行うためには、アパーチャ７の直後のビームスプリッタ８ａを偏光ビームスプリッタに変更し、更に、もう一方のビームスプリッタ８ｂと集光光学系９との間に偏光板を挿入すればよい。このような構成により、ビート光の生成が可能となる。なお、偏光ビームスプリッタの偏光軸を、２周波直線偏波レーザから出射される２つの直線偏波光のどちらか一方の偏光面方向と一致させ、また、偏光板の偏光軸を、両直線偏波光の偏波面に対して４５°の方位を持つように配置すれば良好なビート光を生成させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２４７】
本発明にかかる光学式音響相関器によれば、互いに任意形状の時間波形を有する２つの信号の相似性を光学的に検知することが可能となるため、複数の信号を処理する受動相関器等として有用である。また、本発明にかかる光学式音響相関器から出力される相関信号は、タイミング制御されたパルス状信号であるため、パルス波発生装置や、タイミング制御可能な任意パルス信号生成器等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【０２４８】
１、１０１、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１２１、１２２、１２３、１３１    光学式音響相関器
２    波面干渉計
３、３ａ，３ｂ、３ｃ    音波伝搬部
４    単色光光源
５    単色光
６    拡大光学系
７    アパーチャ
８    ビームスプリッタ
９    集光光学系
１０    受光素子
１１、１１ａ，１１ｂ    反射鏡
１２    Ａ経路
１３    Ｂ経路
１４    電気信号
２８    ビームストッパ
２９    参照平面
３１    受信信号
３２    参照信号
３３    音響媒質
３４    光束
３５    外界
３６    入射時波面
３７    出射時波面
３８    光線
３９    コントラスト観測部
４０    光源
４１    データ
４２    拡散符号
４３    符号拡散された信号
４４    受信信号開始
５１    参照信号開始
６１    受信信号３１による屈折率分布
６２    参照信号３２による屈折率分布
６４    受光素子１０からの出力信号
７１，９４    固定台
７２    圧電振動体
８０    ２周波直線偏波レーザ
８１    偏光ビームスプリッタ
８２    偏光板
８３    １／４波長板
８４    偏波選択性の反射コーティング
９１    疎密波生成部
９２    吸音材
９３    板状圧電振動体
１００ａ  第１の光束
１００ｂ  第２の光束
１１０    光学面
１４１    プリズム
１５１ａ，１５１ｂ    搬送波生成回路
１５２ａ，１５２ｂ    信号生成回路
１５３ａ，１５３ｂ    変調器
１５４ａ，１５４ｂ    増幅器
１５５    光学系
１５６    集光光学系
１５７    受光素子
１５８    空間フィルタ
１５９ａ，１５９ｂ    音響媒質
１５１０ａ，１５１０ｂ    圧電振動子
２００  光学系
２１０  Ｂｒｅ経路
２１２  Ｂｔｒａｎｓ経路
３００  受信システム
３０１  ダウンコンバータ
３０２  オートゲインコントローラ
３０３  データ再生部
３０４  同期制御部
３０５  同期回路
３０６  逆拡散用符号列生成部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、
透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部に前記第１の疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第２の音波伝搬部に前記第２の粗密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、前記第１の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項２】
光源と、
透光性の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波、および予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を、前記音波伝搬媒質部に互いに対向する向きに伝搬させる音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記音波伝搬部に前記第１の疎密波および前記第２の疎密波と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記音波伝搬部に入射させることなく、前記音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項３】
光源と、
透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、
透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に各疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に入射させることなく、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項４】
前記相関判定部は、前記干渉光の強度が所定の閾値以上の場合に、前記受信信号と前記参照信号とが相関していると判定する、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項５】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項１に記載の光学式音響相関器。
【請求項６】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標をｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項２に記載の光学式音響相関器。
【請求項７】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項３に記載の光学式音響相関器。
【請求項８】
前記光学系は、前記光源から出射された光を前記第１の光束と前記第２の光束とに分けるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによって分けられた前記第１の光束および前記第２の光束の少なくとも一方を反射させるための反射鏡とを備えている、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項９】
前記光源は、単色光を出射し、
前記相関判定部は、前記反射鏡を振動させることによって前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方が前記受光部に到達するまでの光路長を変動させ、前記電気信号が予め定められた閾値を超えたか否かを判定することにより、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項８に記載の光学式音響相関器。
【請求項１０】
前記相関判定部は、前記反射鏡を、前記単色光の波長の１／２以上の振幅で振動させる、請求項９に記載の光学式音響相関器。
【請求項１１】
前記光源は、互いに偏波面が直交し、かつ、互いに異なる周波数を有する２つの光束を出射し、
前記光学系は、前記２つの光束を各々の偏波面に基づいて前記第１の光束および前記第２の光束に分ける偏光ビームスプリッタと、前記第１の光束の偏波面および前記第２の光束の偏波面を一致させる偏光板とを有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１２】
前記第１の光束および前記第２の光束は、それぞれ前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項１に記載の光学式音響相関器。
【請求項１３】
前記第１の光束は、前記音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項２に記載の光学式音響相関器。
【請求項１４】
前記第１の光束は、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項３に記載の光学式音響相関器。
【請求項１５】
前記光学系は、マイケルソン・モーレー型の干渉計の構成を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１６】
前記光学系は、マッハツェンダー型の干渉計の構成を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１７】
前記光学系は、フィゾー型の干渉計の構成を有している、請求項２または３に記載の光学式音響相関器。
【請求項１８】
前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行である、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１９】
前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行かつ同じ向きである、請求項１８に記載の光学式音響相関器。
【請求項２０】
前記第１の光束および前記第２の光束は、干渉するまでの間、大気中を通過しない、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2011111398.tif 000053
【図１Ｂ】
2011111398.tif 000054
【図２】
2011111398.tif 000055
【図３】
2011111398.tif 000056
【図４】
2011111398.tif 000057
【図５】
2011111398.tif 000058
【図６】
2011111398.tif 000059
【図７】
2011111398.tif 000060
【図８】
2011111398.tif 000061
【図９Ａ】
2011111398.tif 000062
【図９Ｂ】
2011111398.tif 000063
【図１０】
2011111398.tif 000064
【図１１】
2011111398.tif 000065
【図１２】
2011111398.tif 000066
【図１３】
2011111398.tif 000067
【図１４】
2011111398.tif 000068
【図１５】
2011111398.tif 000069
【図１６】
2011111398.tif 000070
【図１７】
2011111398.tif 000071
【図１８】
2011111398.tif 000072
【図１９】
2011111398.tif 000073
【図２０】
2011111398.tif 000074
【図２１】
2011111398.tif 000075
【図２２】
2011111398.tif 000076
【図２３】
2011111398.tif 000077
【図２４】
2011111398.tif 000078
【図２５】
2011111398.tif 000079
【図２６】
2011111398.tif 000080
【図２７】
2011111398.tif 000081
【図２８】
2011111398.tif 000082
【図２９】
2011111398.tif 000083
【図３０Ａ】
2011111398.tif 000084
【図３０Ｂ】
2011111398.tif 000085
【図３１】
2011111398.tif 000086
【図３２】
2011111398.tif 000087
【図３３】
2011111398.tif 000088
【図３４】
2011111398.tif 000089
【図３５】
2011111398.tif 000090
【図３６】
2011111398.tif 000091
【図３７】
2011111398.tif 000092
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月23日(2011.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、
透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部に前記第１の疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第２の音波伝搬部に前記第２の粗密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、前記第１の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項２】
光源と、
透光性の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波、および予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を、前記音波伝搬媒質部に互いに対向する向きに伝搬させる音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記音波伝搬部に前記第１の疎密波および前記第２の疎密波と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記音波伝搬部に入射させることなく、前記音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項３】
光源と、
透光性の第１の音波伝搬媒質部を有し、受信信号に応じた第１の粗密波を前記第１の音波伝搬媒質部に伝搬させる第１の音波伝搬部と、
透光性の第２の音波伝搬媒質部を有し、予め定められた参照信号に応じた第２の粗密波を前記第２の音波伝搬媒質部に伝搬させる第２の音波伝搬部と、
前記光源から出射された光を第１の光束および第２の光束に分け、前記第１の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に各疎密波の伝搬方向と交差する方向に入射させ、かつ、前記第２の光束を前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部に入射させることなく、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過した前記第１の光束および前記第２の光束の干渉光を生じさせる光学系と、
前記干渉光を受け、受けた光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記干渉光に基づく電気信号を観測することにより、前記受信信号および前記参照信号の相関の有無を判定する相関判定部と、
を備える光学式音響相関器。
【請求項４】
前記相関判定部は、前記干渉光の強度が所定の閾値以上の場合に、前記受信信号と前記参照信号とが相関していると判定する、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項５】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項１に記載の光学式音響相関器。
【請求項６】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標をｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項２に記載の光学式音響相関器。
【請求項７】
前記第１の疎密波の発生点を原点とし前記第１の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標、および前記第２の疎密波の発生点を原点とし前記第２の疎密波の伝搬方向を正方向とする座標を、ともにｘとし、時間をｔとするとき、
前記第１の疎密波の屈折率分布Ｆ（ｘ、ｔ）と、前記第２の疎密波の屈折率分布Ｒ（ｘ、ｔ）との間に、
Ｆ（ｘ，ｔ０）＝−Ｒ（ｘ，ｔ０）の関係が成立している時刻ｔ＝ｔ０において、前記干渉光の強度が最大になるように前記光学系が構成されている、請求項３に記載の光学式音響相関器。
【請求項８】
前記光学系は、前記光源から出射された光を前記第１の光束と前記第２の光束とに分けるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによって分けられた前記第１の光束および前記第２の光束の少なくとも一方を反射させるための反射鏡とを備えている、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項９】
前記光源は、単色光を出射し、
前記相関判定部は、前記反射鏡を振動させることによって前記第１の光束および第２の光束の少なくとも一方が前記受光部に到達するまでの光路長を変動させ、前記電気信号が予め定められた閾値を超えたか否かを判定することにより、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項８に記載の光学式音響相関器。
【請求項１０】
前記相関判定部は、前記反射鏡を、前記単色光の波長の１／２以上の振幅で振動させる、請求項９に記載の光学式音響相関器。
【請求項１１】
前記光源は、互いに偏波面が直交し、かつ、互いに異なる周波数を有する２つの光束を出射し、
前記光学系は、前記２つの光束を各々の偏波面に基づいて前記第１の光束および前記第２の光束に分ける偏光ビームスプリッタと、前記第１の光束の偏波面および前記第２の光束の偏波面を一致させる偏光板とを有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１２】
前記第１の光束および前記第２の光束は、それぞれ前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項１に記載の光学式音響相関器。
【請求項１３】
前記第１の光束は、前記音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項２に記載の光学式音響相関器。
【請求項１４】
前記第１の光束は、前記第１の音波伝搬部および前記第２の音波伝搬部を透過することによって波面形状が変化し、前記相関判定部は、前記第１の光束の波面形状と前記第２の光束の波面形状との差異に起因する前記電気信号に基づいて、前記第１の信号と前記第２の信号との相関の有無を判定する、請求項３に記載の光学式音響相関器。
【請求項１５】
前記光学系は、マイケルソン・モーレー型の干渉計の構成を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１６】
前記光学系は、マッハツェンダー型の干渉計の構成を有している、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１７】
前記光学系は、フィゾー型の干渉計の構成を有している、請求項２または３に記載の光学式音響相関器。
【請求項１８】
前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行である、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【請求項１９】
前記第１の疎密波および前記第２の疎密波の伝搬方向は互いに平行かつ同じ向きである、請求項１または３に記載の光学式音響相関器。
【請求項２０】
前記第１の光束および前記第２の光束は、干渉するまでの間、大気中を通過しない、請求項１から３のいずれかに記載の光学式音響相関器。
【国際調査報告】
2011111398.tif 000093
2011111398.tif 000094
2011111398.tif 000095
2011111398.tif 000096